Цифровая защита и автоматика систем электроснабжения с активными промышленными потребителями

М. В. Шарыгин, А. Л. Куликов 
ЦИФРОВАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА 
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
С АКТИВНЫМИ ПРОМЫШЛЕННЫМИ 
ПОТРЕБИТЕЛЯМИ 
МОНОГРАФИЯ 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 621.31 
ББК 31.29 
Ш25 
 
 
 
Ш25 
Р е ц е  н з е  н т  ы:  
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрических станций   
и электроэнергетических систем ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный   
политехнический университет» (Новочеркасский политехнический институт) 
В. И. Нагай;  
доктор технических наук, профессор кафедры автоматического управления   
электроэнергетическими системами ФГБОУ ВО «Ивановский государственный   
энергетический университет им. В. И. Ленина» В. А. Шуин;  
доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой   
электроэнергетических систем ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский   
университет МЭИ» А. В. Шунтов 
 
 
 
 
 
 
Шарыгин, М. В. 
Цифровая  защита  и  автоматика  систем  электроснабжения  с  актив- 
ными промышленными  потребителями  : монография  / М.  В. Шарыгин,  
А. Л. Куликов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 268 с. :  
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0996-4 
Рассматриваются вопросы релейной защиты и автоматического управления системами электроснабжения с активными промышленными потребителями. Представлены новые методы и алгоритмы распознавания режимов электрической сети, ее защиты, 
рационального выбора управляющих воздействий на активных потребителей, оценки 
последствий отключений/ограничений потребителей электрической энергии и их практическое применение в задачах электроэнергетики.  
Для научных работников и специалистов-практиков в области электроэнергетики, 
а также аспирантов и магистрантов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика». 
УДК 621.31 
ББК 31.29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0996-4 
‹ Шарыгин М. В., Куликов А. Л., 2022 
 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 
 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
a 
- нижний порог принятия решения по критерию Вальда
A j 
- множество всех способов отключения j-го потребителя
B 
- компенсация, выплачиваемая потребителю от энергокомпании-поставщика надежности при
факте отказа электроснабжения
b 
- верхний порог принятия решения по критерию Вальда
C 
- потери, возникающие в результате принятия решения устройством РЗА
C j 
- множество осуществимых способов отключения j-го потребителя
d j 
- накопитель сырья-продукции j-го потребителя
D j 
- множество накопителей j-го потребителя
E j 
- множество недопустимых способов отключения j-го потребителя
G j 
- множество предельных способов отключения j-го потребителя
j
m
Gr
- функция нормального изменения состояния агрегата m j (производственный график)
H 
- гипотеза оценки режима сети многопараметрической защитой (по контексту)
H 
- энтропия (по контексту)
H j 
- множество возможных способов отключения j-го потребителя
i 
- набор отключаемых присоединений (гл. 4, 5, 6)
i 
- индекс (гл. 2, 3)
I 
- действующее значение основной гармоники тока присоединения (по контексту) 
I 
- количество информации (по контексту) 
IK 
- уставка по току, соответствующая порогу K 
Iбр.пуск 
- бросок пускового тока
Iнагр 
- рабочий ток нагрузки 
Iнб 
- ток небаланса 
Iпуск 
- ток пуска нагрузки
Iу 
- уставка по току
IХХ 
- ток холостого хода
j 
- индекс
J 
- матрица задающих токов узлов
k 
- коэффициент (по контексту)
k 
- степени близости зоны защиты к месту установки РЗ (гл. 3)
Kч 
- коэффициент чувствительности релейной защиты
Lt 
- матрица типа ветвей графа зон защиты
M 
- количество гипотез многопараметрической защиты, основанной на статистических принципах (гл. 2, 3)
m j 
- конкретный агрегат j-го потребителя
M j 
- множество всех агрегатов отдельного j-го потребителя (гл. 4, 5, 6)
M j
запр 
- подмножество агрегатов с «запрещенным» вынужденным остановом у j-го потребителя
j
M
- множество агрегатов с запретом на отключение у j-го потребителя
зо
M [...…] 
- математическое ожидание случайной величины 
MD j 
- множество агрегатов и накопителей j-го потребителя (множество элементов агрегативной
модели)
Mрз.осн 
- первая матрица инциденций основного графа зон защиты
Mрз.раб 
- рабочая первая матрица инциденций основного графа зон защиты
N 
- количество, число
Nсм 
- количество рабочих смен 
O[…...] 
- максимальное отклонение случайной величины с равномерным законом распределения
от величины математического ожидания 
P 
- величина электрической мощности (по контексту)
P 
- вероятность (по контексту)
p 
- плотность распределения вероятности
PC 
- матрица согласовываемых защит
PF 
- условная вероятность излишнего отключения устройством РЗА
PM 
- условная вероятность неотключения короткого замыкания устройством РЗА
Pt 
- матрица типа узлов графа зон защиты
PZ 
- матрица соответствия ступеней и зон защиты
Pо 
- полная вероятность ошибочного распознавания режимов
Pп 
- полная вероятность правильного распознавания режимов
3 

Q 
- силовой высоковольтный выключатель 
Qv 
- матрица вариантов положений коммутационных аппаратов графа зон защиты 
R 
- уровень надежности электроснабжения потребителя (по контексту) 
R 
- активное сопротивление (по контексту) 
Risk 
- риск 
S j 
- множество участков производства j-го потребителя 
s j 
- конкретный участок производства j-го потребителя 
запр
j
S
 
- множество участков производства с запрещенным вынужденным остановом у j-го потребителя 
Sv 
- матрица связанности агрегатов и накопителей 
t 
- абсолютное время 
T 
- выплата за дополнительную надежность электроснабжения (от потребителя - энергокомпании-поставщику надежности) 
t0 
- время начала 
U 
- действующее значение основной гармоники линейного напряжения присоединения  
Vd 
- уровень заполнения накопителя сырья-продукции 
W 
- величина электрической энергии 
W 2 
- матрица связи системы электроснабжения с производственной системой 
X 
- множество состояний агрегата (по контексту) 
X 
- индуктивное сопротивление (по контексту) 
X j
mi 
- фазовая траектория изменения состояния i-го агрегата j-го потребителя 
i
j
d
Y
 
- фазовая траектория изменения состояния i-го накопителя сырья-продукции j-го потребителя 
Yу 
- матрица узловых проводимостей элементов сети 
Z j 
- множество присоединений j-го потребителя 
j
Z
 
- подмножество оперативно управляемых присоединений j-го потребителя 
оп
Zтп 
- множество точек питания потребителя 
Д 
- доход 
З 
- затраты 
М 
- набор мероприятий, реализуемых с целью управления уровнем надежности 
П 
- технический показатель 
Потказ 
- параметры отказа точки питания 
Прmd(t)  
- зависимость производительности агрегата m j от времени 
У 
- ущерб 
Э 
- показатель информационной эффективности релейной защиты  
Эквx 
- эквивалент потребителя по величине X 
D j 
- множество технико-экономических показателей производства j-го потребителя 
Dв 
- весовой коэффициент важности технического показателя 
D 
- значение вероятности ошибки принятия решения устройством РЗА 
'Pотказ 
- величина ограничения точки питания потребителя по активной мощности 
'Qотказ 
- величина ограничения точки питания потребителя по реактивной мощности 
't 
- расчетный период 
G 
- относительная погрешность 
H 
- допустимая ошибка 
K 
- порог отношения правдоподобия при принятии решения по критерию Байеса 
/()) 
- отношение правдоподобия 
O 
- порог отношения правдоподобия при принятии решения по критерию Неймана - Пирсона 
W 
- длительность интервала времени 
Wэ 
- длительность отключения/ограничения потребителя 
) 
- вектор наблюдаемых параметров многопараметрической защиты, основанной на статистических принципах (observation vector) 
M 
- наблюдаемый параметр многопараметрической защиты, основанной на статистических 
принципах 
< 
- пространство наблюдений многопараметрической защиты, основанной на статистических 
принципах (total observation space) 
Z 
- частота отказов 
4 
 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
АБ 
- аварийная бронь 
АВР 
- автоматический ввод резерва
АД 
- асинхронный двигатель
АКЦ 
- автоклавно-катализаторный цех
АО 
- автоматическое отключение поврежденного элемента
АПВ 
- автоматическое повторное включение
АСКУЭ 
- автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии
АСУ 
- автоматизированная система управления
АТБ 
- акт аварийной и технологической брони
АЧР 
- автоматическая частотная разгрузка
АЭС 
- атомная электрическая станция
ВЛ 
- воздушная линия электропередачи
ВН 
- уровень высокого напряжения
ГБП 
- граница балансовой принадлежности электрической сети
ГК 
- генерирующая компания
ГПП 
- главная понизительная подстанция
ГЭС 
- гидроэлектростанция
ДЗ 
- дистанционная защита
ЕНЭС 
- единая национальная электрическая сеть
ЗМН 
- защита минимального напряжения
ИЭС ААС 
- интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью
ИЭУ 
- интеллектуальное электронное устройство
ИРГ 
- источник распределенной генерации
КЗ 
- короткое замыкание
КЛ 
- кабельная линия 
КП 
- конечный потребитель
ЛЭП 
- линия электропередачи
МКЗ 
- междуфазное короткое замыкание
МРСК 
- межрегиональная распределительная сетевая компания
МТЗ 
- максимальная токовая защита
МЭС 
- магистральные электрические сети
НН 
- уровень низкого напряжения
ОЗЗ 
- однофазные замыкания на землю 
ПА 
- противоаварийная автоматика
ПО 
- пусковой орган 
ПС 
- подстанция электрической сети
ПТБ 
- правила технической безопасности
ПТЭ 
- правила технической эксплуатации
ПУЭ 
- правила устройства электроустановок 
РГ 
- распределенная генерация
РЗ 
- релейная защита 
РЗА 
- релейная защита и автоматика
РП 
- распределительный пункт электрической сети
РУ 
- распределительное устройство подстанции
САОН 
- системная автоматика отключения нагрузки 
СН 
- уровень среднего напряжения
СЭС 
- система электроснабжения
ТН 
- измерительный трансформатор напряжения
ТО 
- токовая отсечка
ТП 
- трансформаторный пункт электрической сети
ТСО 
- территориальная сетевая организация
ТТ 
- измерительный трансформатор тока
5 

ЦРП 
- центральный распределительный пункт электрической сети 
ЭК 
- энергокомпания (компании-составляющие ЭЭС: сетевые, генерирующие, операторы и 
др.) 
ЭЭС 
- электроэнергетическая система 
DNS 
- оператор распределительной сети (distribution network operator) 
DMS 
- распределенная система управления (distributed control system) 
FACTS 
- управляемые системы электропередачи переменного тока (flexible alternative current 
transmission system) 
IED 
- интеллектуальное электронное устройство (intelligent electronic device) 
LC 
- локальный контроллер (local controller) 
MAS  
- мультиагентная система (multi-agent system) 
MGCC 
- центральный контроллер, например микрогрид (microgrid control controller) 
PnP 
- технология «включай и работай» (plug and play) 
SCADA 
- диспетчерское управление и сбор данных (supervisory control and data acquisition) 
6 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Системы электроснабжения потребителей электроэнергии должны быть эффективными. Их эффективность складывается из надежности, безопасности и экономичности. Максимизация этих составляющих возможна при развитом автоматическом оптимальном управлении технологическими процессами в электроэнергетике и подсистемах потребителей электроэнергии.  
Проблема оптимального управления процессами в системах электроснабжения существует с момента возникновения самой электроэнергетики. До настоящего времени решение этой 
проблемы затруднялось низким уровнем или отсутствием информационных сетей, развитых 
автоматизированных систем управления (АСУ) трансформаторных пунктов электрической 
сети (ТП) энергокомпаний и потребителей, низким уровнем квалификации персонала, обслуживающего электросети. Системы электроснабжения рассматривались как вторичные по отношению к основной сети энергосистемы, отсутствовали эффективные методы управления 
ими, теоретическая база их развития, практические наработки были фрагментарными. В результате системы электроснабжения проектировались максимально простыми: с радиальной 
или магистральной структурой, отсутствием реверсивных перетоков мощности и параллельной 
работой источников электроэнергии, с простейшей релейной защитой и автоматикой.  
Проблема управления приобрела особую актуальность в современных условиях структурных, организационных, технологических, технических и других изменений: внедрение 
рыночных отношений, разделение электроэнергетической отрасли, широкая интеллектуализация и автоматизация, внедрение цифровых подстанций, распределенной генерации и микроэнергосистем (microgrid), внедрение принципиально новых устройств, электроустановок  
и т. д. Системы электроснабжения, основанные на старых традиционных принципах, не смогут обеспечить динамичное развитие экономики в новых современных условиях. Они станут 
новым узким местом, затрудняющим внедрение новых технологий, что давно демонстрирует 
проблема развития малой генерации.  
Введение рыночного базиса в электроэнергетическую отрасль значительно усугубило 
проблему управления за счет размытия границ ответственности субъектов энергетики за 
результат, появления множества новых взаимопротиворечащих целей у различных субъектов. Обеспечение уровня надежности электроснабжения, удовлетворяющего потребителей, 
остановки его дрейфа в сторону снижения в современных условиях почти невозможно.  
Особенно актуально создание методов автоматического управления для перспективных 
микроэнергосистем, поскольку, во-первых, в этих сетях, обладающих значительно большим 
количеством управляемых элементов и активных потребителей (в том числе электротранспорта), чем традиционные сети, внедрение привычных диспетчерских служб обойдется 
слишком дорого или невозможно, во-вторых, скорость развития нарушений нормального 
режима будет здесь слишком велика; в-третьих, в таких сетях будут допускаться реверсивные режимы и многоконтурная топология, что создаст сложности для «ручного» распознавания режимов и управления ими. По этим причинам микроэнергосистемы обречены стать 
лидером в развитии автоматизации управления технологическими процессами в электроэнергетических системах. 
Вместе с тем развитие техники и технологий предоставляет все больше возможностей 
решения проблемы эффективности систем электроснабжения.  
На сегодня разработан широкий спектр технических методов повышения эффективности систем электроснабжения, но их применение, как правило, затруднено, по следующим 
причинам: неприспособленность к рыночным условиям в электроэнергетике и ее разделенности на энергокомпании по функциональному признаку, отсутствие универсальности, техническая сложность или высокая стоимость реализации, их старение.  
7 
 

Первой отечественной работой по количественному учету вероятностных условий 
функционирования релейной защиты и автоматики (РЗА) и выбора параметров ее срабатывания является работа К.Ю. Меллера. Позднее вероятностные методы применялись для 
оценки надежности и настройки средств РЗА.  
Учет случайного характера режимов систем электроснабжения распространялся лишь 
на варианты выбора уставок и оценку эффективности средств РЗА. Алгоритмы срабатывания РЗА с применением статистических методов не формировались. 
Предпосылки для широкого использования методов математической статистики создал 
метод информационного (многомерного) анализа релейной защиты, предложенный  
Ю.Я. Лямецем и в варианте многопараметрического подхода развитый В.И. Нагаем в задаче 
дальнего резервирования. Он предполагает обязательное применение имитационного моделирования и разработку алгоритмов РЗА на основе результатов, полученных по модельным 
экспериментам. 
Однако заявленные концепции создания класса активных потребителей, информатизации и интеллектуализации систем электроснабжения пока не имеют четких форм и методов 
внедрения. Развитая автоматизация в системах электроснабжения существует лишь в области РЗА и автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), но 
алгоритмы РЗА распознавания режимов сетей электроснабжения до 35 кВ почти не изменились за прошедшие сто лет: даже микропроцессорные устройства РЗА сетей 6-35 кВ во многом лишь воспроизводят алгоритмы электромеханических или статических панелей.  
8 
 

 
АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
И РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
С АКТИВНЫМИ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЯМИ 
Г Л А В А  1  
1.1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ 
СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
И ИХ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 
Совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей 
электрической энергией, называется системой электроснабжения [74]. Современные системы электроснабжения потребителей имеют следующие особенности: 
1. Множество видов и типов снабжаемых потребителей. Потребитель - это потребитель 
электрической энергии, приобретающий электрическую энергию (мощность) для собственных бытовых и (или) производственных нужд [143]. Каждый конкретный потребитель имеет 
свой индивидуальный набор электроприемников. Для описания и систематизации этого факта существует множество различных классификаций. Основная классификация основана на 
делении по видам деятельности снабжаемых потребителей и используется, например, для 
выделения тарифных групп:  
- промышленные и приравненные к ним (строительные, транспорт, шахты, рудники, 
карьеры, нефтяные, связь, коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание); 
- сельскохозяйственные; 
- электротранспорт; 
- прочие группы: непромышленные потребители, организации торговли и сферы услуг, 
население и населенные пункты, электрическая энергия, используемая на нужды отопления, горячего водоснабжения и охлаждения, реклама и освещение.  
Промышленные потребители используют основную долю электроэнергии и мощности, 
вырабатываемой электрическими станциями страны. Кроме того, удельная мощность их 
потребления максимальна среди всех групп потребителей - электрическая мощность одного 
промышленного предприятия может достигать десятков и сотен мегаватт. Поэтому основные усилия исследователей были приложены к поиску подходов, методов, средств управления именно промышленными потребителями как приносящими наибольший эффект при 
минимизации организационных затрат.  
Основное внимание в работе акцентировано на организации электроснабжения именно 
промышленных потребителей. Многочисленные исследования в этом направлении обусловлены разнообразием видов промышленности и тем, что даже внутри одной отрасли различные предприятия могут существенно отличаться друг от друга как величиной (количеством), 
так и структурой электроприемников. Подавляющее большинство научных и практических 
работ в области управления электроснабжением являются узконаправленными, применимыми лишь в отдельной отрасли, промышленности, а чаще всего лишь к отдельным конкретным предприятиям и их подразделениям.  
9 
 

2. Близость электроприемников и их сравнительно небольшая мощность (в пределах 
одной системы электроснабжения) обусловливает применение низкого номинального 
напряжения сетей электроснабжения. Лишь крупные промышленные потребители имеют 
сети электроснабжения 110-220 кВ, большинство потребителей имеют сети номинальным 
напряжением 35-0,4 кВ.  
3. Сети электроснабжения имеют важное, но вторичное значение для потребителей по 
сравнению с их системой основного производства, выпускающего конечную продукцию. 
Действительно, для потребителей основное значение имеет сохранение планового выпуска 
продукции. Все подсистемы энергообеспечения (электро-, тепло-, газо-, водоснабжения  
и т. д.) не являются приоритетными для руководства предприятий. Поэтому сети электроснабжения промышленных потребителей почти всегда имеют максимально дешевое исполнение, что обусловливает следующие особенности систем электроснабжения:  
- максимально простая конфигурация электрической сети (радиальная или магистральная) с частым наличием резервного ввода (нагруженного или ненагруженного). Лишь малое 
количество крупных потребителей имеют несколько центров питания (подстанций). В случае стихийного развития сети электроснабжения на крупных предприятиях возможны более 
сложные конфигурации, но параллельная работа источников питания в подавляющем большинстве случаев не допускается. При наличии у потребителей собственных источников 
электроэнергии, как правило, их генераторы не имеют технической возможности параллельной работы с внешней сетью без реконструкции сети электроснабжения; 
- упрощенная конфигурация сети и отсутствие параллельной работы источников обусловливают применение максимально дешевого силового оборудования: минимальных сечений проводников электроустановок сети, коммутационных аппаратов с низкой отключающей способностью и т. д.;  
- упрощенная конфигурация сети и отсутствие реверсивных режимов обеспечивает 
применение простейших систем защиты от коротких замыканий и простейшей автоматики,  
а также отсутствие диспетчеризации; 
- все вышеприведенные особенности систем электроснабжения обусловливают тот 
факт, что зачастую персонал энергослужб промышленных потребителей имеет весьма низкую квалификацию и численность, а на малых предприятиях этот персонал выведен за штат.  
В результате большинство систем электроснабжения на сегодня слабо подготовлены к 
перспективным изменениям в электроэнергетике, массовому внедрению распределенной 
генерации, интеллектуальных сетей, концепции активных потребителей, новых алгоритмов 
управления и других инновационных технических решений.  
Для успешного внедрения инноваций в системах электроснабжения промышленных 
потребителей они должны иметь: 
- существенный экономический и/или технический эффект для потребителей; 
- максимальную степень автоматизации; 
- максимальную степень готовности технических решений.  
Инновационные технологии в системах электроснабжения [15, 28, 65, 68, 98, 104, 
270, 271, 275]. Основная часть систем электроснабжения была построена во второй половине 
прошлого столетия и спроектирована под технические потребности того времени.  
Существующие системы электроснабжения сталкиваются с большими трудностями, 
определяемыми развитием экономики, тенденциями интеграции различных технических 
систем, увеличивающимися потребностями в энергии и мощности, которые заставляют системы снабжения функционировать на грани устойчивости. 
Появились новые технические решения: такие, как эффективные распределенные источники энергии малой и средней мощности, в том числе использующие возобновляемые 
источники энергии, элементы силовой электроники, которые в сочетании с информационными технологиями расширяют возможности электроэнергетического рынка. Электроэнергетический рынок также претерпевает изменения, поскольку участие распределенных источников энергии приводит к необходимости высокого уровня автоматизации учета выработки, потребления, расчетов за электроэнергию, реализации указанных процессов в реальном масштабе времени. 
10