СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ДВУСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ Российский патент 1998 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике электрическим систем, предназначено для выявления места повреждения линий электропередачи по результатам одностороннего измерения ее напряжений и токов, кроме того, может быть применено для дистанционной защиты линий электропередачи на базе микропроцессорной техники.

Известны способы определения места повреждения линии электропередачи с двусторонним питанием по результатам одностороннего наблюдения с использованием ее моделей [1]. Согласно эти способам фиксируют факт повреждения, измеряют напряжения и токи аварийного режима на одной (наблюдаемой) стороне линии, преобразуют их во входные сопротивления, по соотношению которых определяют расстояние до места повреждения.

Указанным способам присуща методическая погрешность, в частности зависимость результата от переходного сопротивления короткого замыкания.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ определения места повреждения линии с двусторонним питанием, по которому фиксируют момент повреждения, измеряют напряжения и токи основной гармоники доаварийного и аварийного режимов в начале линии, выделяют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов, преобразуют измеренные величины и их аварийные составляющие с использованием образованных напряженческих и токовых моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, формируют реактивный параметр мест предполагаемого повреждения, например суммарную реактивную мощность, потребляемую в этих местах, и определяют место повреждения по нулевому значению указанного параметра [2].

По сути дела в прототипе формируются доаварийная напряженческая модель и совмещенные аварийные напряженческая и токовая модели, позволяющие в совокупности преобразовать измеренные в начале линии напряжения и токи доаварийного и аварийного режимов, а также их аварийные составляющие в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, из которых затем формируется реактивный параметр мест предполагаемого повреждения. В доаварийной напряженческой модели преобразуют доаварийные составляющие измеренных напряжений и токов в доаварийные составляющие напряжений мест предполагаемого повреждения, в совмещенной аварийной напряженческой и токовой моделях преобразуют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов в аварийные составляющие напряжений и полные токи мест предполагаемого повреждения, а затем, суммируя выходные величины доаварийной напряженческой модели, получают полное напряжение в месте предполагаемого повреждения. Преобразования начинаются с того, что в доаварийной напряженческой модели настраивают эквивалентные ЭДС на ненаблюдаемой стороне линии и измеряют доаварийные составляющие напряжения мест предполагаемого повреждения. Затем производятся специфические преобразования в совмещенных аварийных моделях: подают на их входы аварийную составляющую измеренного напряжения и уравновешивают аварийные составляющие токов путем подключения и регулирования комплексной нагрузки в месте предполагаемого повреждения. Токи в сопротивлениях комплексной нагрузки и напряжения на них и есть результат преобразования аварийных моделей: аварийные составляющие напряжений и полные токи мест предполагаемого повреждения.

Недостатком такого способа является то, что значительное количество операций выполняются после возникновения повреждения, что чрезмерно увеличивает время, необходимое для определения места повреждения. Как следует из вышесказанного, формирование реактивного параметра мест предполагаемого повреждения принципиально возможно только после фиксации момента повреждения и измерения токов и напряжений доаварийного и аварийного режима в начале линии, а также после выделения их аварийных составляющих, так как только тогда появляется возможность сравнения токов моделей и измеренных токов. Кроме того, сложность преобразования измеренных (и выделенных) величин в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, связанная с использованием полной модели линии электропередачи, учитывающей влияние тросов, параллельных линий, отпаек, обходных путей, лишь усугубляет указанный недостаток.

В предлагаемом способе места повреждения линии электропередачи с двусторонним питанием фиксируют момент повреждения, измеряют напряжения и токи основной гармоники аварийного и доаварийного режимов в начале линии, выделяют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов, преобразуют измеренные величины и их аварийные составляющие с использованием образованных напряженческих и токовых моделей линии в напряжения и токи мест предлагаемого повреждения, для чего определяют собственные и взаимные параметры модели линии электропередачи относительно групп ее входов в аварийном режиме и образуют элементарные модели с соответствующими собственными и взаимными параметрами, составляют аварийные напряженческую и токовую модели из разных пар элементарных моделей, причем аварийную напряженческую модель из первых и вторых элементарных моделей, аварийную токовую модель из третьих и четвертых элементарных моделей, при этом первую элементарную модель образуют из собственных и взаимных проводимостей входов линии, вторую - из собственных и взаимных проводимостей между началом линии и местом предполагаемого повреждения, третью - из собственных и взаимных проводимостей между местом предполагаемого повреждения и началом линии, четвертую - из собственных и взаимных проводимостей входов мест предполагаемого повреждения, пропускают через первую элементарную модель аварийные составляющие измеренных напряжений, ее выходные величины вычитают из аварийных составляющих входных токов, разностные величины пропускают в обратном направлении через вторую элементарную модель, получая выходные величины аварийной напряженческой модели - аварийные составляющие напряжения в месте предполагаемого повреждения, пропускают через третью элементарную модель аварийные составляющие измеренных напряжений, через четвертую элементарную модель пропускают выходные величины аварийной напряженческой модели, а выходные величины третьих и четвертых элементарных моделей суммируют с противоположными знаками, получая выходные величины аварийных токовых моделей - полные токи в месте предполагаемого повреждения, формируют реактивный параметр мест предполагаемого повреждения и определяют место повреждения по нулевому значению указанного параметра.

Прототип в итоге дополняется рядом операций, позволяющих сократить время, затрачиваемое на определения места повреждения после фиксации момента аварии, так как по-новому решается проблема преобразования измеренных (и выделенных) в начале линии величин в токи и напряжения места предполагаемого повреждения, так что наиболее сложные операции могут быть выполнены заблаговременно, еще до возникновения повреждения. Если же способ реализуется на многопроцессорном контроллере, то операции могут выполнять параллельно, не увеличивая общего времени обработки информации о состоянии линии электропередачи. К таким операциям относятся определение собственных и взаимных параметров относительно групп входов модели линии электропередачи в аварийном режиме, образование элементарных моделей, составление токовой и аварийной напряженческой моделей из элементарных. После же возникновения короткого замыкания выполняется лишь некоторое ограниченное число операций: преобразование измеренных напряжений и токов, а также аварийных составляющих с помощью соответствующих аварийных и доаварийных напряженческих и токовых моделей в напряжения и токи мест предлагаемого повреждения, формирование реактивного параметра, поиск места повреждения по нулевому значению последнего.

Способ, как видно, сокращает время определения места повреждения, так как наиболее трудоемкие операции выполняются на моделях заранее, до возникновения повреждения. Точность определения места повреждения благодаря тому, что при составлении моделей линии не делается никаких ограничений на учет ее особенностей, остается высокой.

Иллюстрацией способа служат схемы (фиг. 1-11) и табл. 1, 2.

На фиг.1 изображена функциональная схема линии электропередачи; на фиг. 2 - модель этой линии в доаварийном режиме; на фиг. 3 - модель линии в чисто аварийном режиме (для аварийных составляющих напряжений и токов); на фиг. 4-9 - схемы операций с моделью для определения собственных и взаимных проводимостей между местом наблюдения и местом предполагаемого повреждения в аварийном режиме; фиг. 10-11 - две структуры либо напряженческой, либо токовой, формируемых из элементарных моделей, в зависимости от типа которых и характера подаваемых на них входных величин они могут формировать различные напряжения и токи; в табл. 1 приведен состав входных и выходных величин токовых и напряженческих моделей, составляющие их пары элементарных моделей применительно к структурам моделей фиг. 10 и 11; в табл. 2 приведена сводка операций, выполняемых в моделях.

Местом наблюдения линии (фиг. 1) и одновременно ее началом считаются входные зажимы 1, 2, 3. Расстояние x, отсчитываемое от данного места, интерпритируется здесь как место предполагаемого повреждения и отмечается зажимами 4, 5, 6. Еще одной группой зажимов 7, 8, 9 отмечена трехпроводная часть ненаблюдаемой стороны электропередачи. Помимо фазных проводов линии 10 схема электропередачи содержит грозозащитный трос 11, отпайку 12, одну или несколько, параллельную цепь и обходные связи, показанные в виде объединенной цепи 13, участки сближения с другими линиями, например, 14. Кроме того, в нее входят ненаблюдаемая система 15 и повреждение как отдельный блок 16, создающий аварийный режим.

Электропередача характеризуется доаварийной моделью 17, состоящей из модели линии 18, в общем случае активной, то есть содержащей источники, и модели ненаблюдаемой системы 15 (фиг. 2).

Модель электропередачи 19 для аварийных составляющих (чисто аварийный режим) отличается от модели 17 отсутствием источников (фиг. 3). Пассивная модель линии 20 получается из модели линии 18 исключением источников в блоках 13, 14 и на приемном конце отпайки 12, если таковые имеются. Пассивная модель 21 ненаблюдаемой системы отличается от исходной модели 15 только уровнем ЭДС источников: в 15 они ненулевые, а в 21 нулевые.

При определении собственных и взаимных проводимостей в аварийном режиме для каждого места предполагаемого повреждения выполняют максимум шесть подключений модели электропередачи 19 для аварийных составляющих (фиг. 4-9) одним из шести зажимов к единичному источнику напряжения 22, при этом все прочие пять зажимов замыкаются на общую шину.

По собственным и взаимным параметрам пассивных моделей 19 и 20 формируют различные элементарные модели 23, 24 (фиг. 10, 11, табл. 1, 2), из которых затем составляют с использованием операции суммирования 25 напряженческие 26 и токовые 27 модели.

Далее используются следующие обозначения и понятия (что касается токов и напряжений, то речь везде идет о величинах основной гармоники).

I.

- вектор фазных напряжений;
- вектор фазных токов;
т - индекс транспонирования;
- напряжения (полное и доаварийная составляющая) и ток в месте предполагаемого повреждения x;
- измеренные напряжение и ток доаварийного режима в начале линии;
- измеренные напряжение и ток аварийного режима в начале линии;
- аварийные составляющие наблюдаемых напряжения и тока (напряжение и ток чисто аварийного режима) в начале линии, определяются путем обработки измеренных доаварийных и аварийных входных величин
,
- аварийные составляющие напряжения в месте предполагаемого повреждения x.

II. Матрицы:
- собственных и взаимных проводимостей (параметров), определенных в предположении, что в месте с координатой x произошло трехфазное металлическое короткое замыкание: зажимы 4-6 соединены с землей; блоки матрицы есть элементарные модели (фиг. 4-9),
.

III.Элементарные модели:
- первая, составлена из собственных и взаимных проводимостей входов места наблюдения (зажимы 1-3);
- вторая, составлена из взаимных проводимостей между местом наблюдения и местом предполагаемого повреждения (зажимы 1-3 и 4-6);
- третья, составлена из взаимных проводимостей между местом предполагаемого повреждения и местом наблюдения (зажимы 4-6 и 1-3);
- четвертая, составлена из собственных и взаимных проводимостей места предполагаемого повреждения (зажимы 4-6).

Другие обозначения;
- модель , включенная в обратном (инверсном) направлении.

IV. Согласно методу сведения к нулевым начальным условиям [3] после определения в отдельности напряжений аварийного и доаварийного режимов в месте предполагаемого повреждения x можно получить полное напряжение как наложение доаварийной и аварийной составляющих напряжений
.

Для тока в месте x подобного напряжения не требуется, поскольку в предшествующем режиме тот отсутствовал:
.

Полная пассивная модель электропередачи 19, рассматриваемая относительно зажимов места наблюдения 1-3, зажимов места предполагаемого повреждения 4-6 и двух земляных зажимов, соединенных с общей шиной, представляет собой 2х4-полюсник. Известно, что токи и напряжения на зажимах при этом связаны соотношением [3]:
,
.

В режиме короткого замыкания различие сопротивлений прямой и обратной последовательности электрических машин обычно не проявляется, и тогда выполняется свойство взаимности:
.

Если выполняется свойство (5), то матрица - симметрическая, и из тридцати шести ее элементов независимых остается только двадцать один.

Уравнение (4) может быть преобразовано к двум матричным уравнениям, связывающим ток наблюдения и ток повреждения с напряжением наблюдения и напряжением повреждения:
.

Рассматривая зажимы наблюдения 1-3 как входные зажимы восьмиполюсника, а 4-6 - как выходные, можно преобразовать уравнение (6) к форме обратной передачи, выразив аварийную составляющую напряжения в месте x через входные аварийные составляющие напряжения и тока:

Преобразование входных величин в доаварийные составляющие напряжения мест предполагаемого повреждения производится традиционно с использованием доаварийной напряженческой модели [2].

Для предлагаемого способа принципиально важно, что собственные и взаимные проводимости не зависят ни от вида короткого замыкания, ни от величин переходных сопротивлений и могут быть определены до обнаружения повреждения, к тому же независимо друг от друга.

Предлагаемый способ определения места повреждения линии электропередачи с двусторонним питанием заключается в следующем.

1. Фиксируют момент повреждения, разделяя доаварийный и аварийный режимы, для чего применяют пусковые органы, например [4].

2. Измеряют напряжения и токи основной гармоники доаварийного и аварийного режимов в начале линии.

3. Выделяют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов согласно (1).

4. Преобразуют измеренные величины и их аварийные составляющие с использованием образованных напряженческих и токовых моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, для чего
4.1. определяют взаимные и собственные проводимости модели линии электропередачи относительно двух групп зажимов: начала линии и мест предлагаемого повреждения.

Отметим, что операции, составляющие данный подпункт, связаны с испытанием модели линии 19, которое может быть произведено в любое время независимо от текущего состояния линии и ее нагрузки.

Чтобы определить все проводимости, необходимо провести шесть включений полной пассивной модели электропередачи 19 (фиг. 4-9). При каждом включении на один из шести зажимов электропередачи 1-6 подают единичное напряжение от источника 22. Все остальные пять зажимов при этом закорачивают на общую шину. Измеряя токи, втекающие в зажимы, получают соответствующие проводимости. Свойство взаимности (5) дает возможность сократить число измеряемых токов: при первом включении (фиг.4) измеряются шесть из них, при втором - пять и при каждом последующем - на единицу меньше. Всего же в шести включениях полной модели измеряется максимум 21 ток. Каждое включение независимо от пяти других, т.е. шесть относительных моделей 19, может быть включено независимо друг от друга в одно и то время.

Испытания модели 19 в соответствии со схемами фиг. 4-9 проводят для заданного числа мест предполагаемого замыкания x с целью формирования для каждого из них матрицы .

4.2. Образуют четыре элементарные модели с соответствующими собственными и взаимными параметрами (см. пункт III. Элементарные модели).

Первую элементарную модель образуют из собственных и взаимных проводимостей входов начала линии, вторую - из взаимных проводимостей между началом линии и местами предполагаемого повреждения, третью элементарную модель образуют из собственных и взаимных проводимостей между местами предполагаемого повреждения и началом линии, четвертую - из собственных и взаимных проводимостей входов мест предполагаемого повреждения.

4.3. Составляют аварийную напряженческую модель из первых и вторых, аварийную токовую - из третьих и четвертых элементарных моделей.

Из элементарных моделей составляются наряженческие и токовые модели двух типов, осуществляющие преобразования входных величин и в выходную (фиг. 10, 11):

они охватывают операции (7), (8) если параметры и входные величины задаются согласно табл. 1. Полное описание всех применяемых в данном способе моделей видно из табл. 2.

Модели целесообразно выполнять на элементах цифровой техники, записывая матрицы а памяти микропроцессорного контроллера.

Выходной величиной аварийной напряженческой модели (8) является авариная составляющая напряжения в месте предполагаемого повреждения .

Выходной величиной аварийной токовой модели (7), (10) является полный ток в месте предполагаемого повреждения .

4.4. Полное напряжение в месте предполагаемого повреждения [U(x)] формируется на основе наложения (2), для чего в дополнении к аварийной составляющей напряжения в месте предполагаемого повреждения формируется доаварийная составляющая с помощью настроенной на текущий доаварийный режим с напряжением и током доаварийной напряженческой модели (фиг.2).

5. После формирования напряжений и токов повреждения определяют реактивный параметр каждого места предполагаемого повреждения, например реактивную мощность, потребляемую повреждением как своеобразной нагрузкой 16:
.

Определяют то место линии электропередачи, в котором реактивный параметр Q(x) проходит через нулевое значение. Оно и является местом истинного повреждения x_f:
Q(X_f) =O,
что вытекает из резистивной природы повреждения [5].

Как видим, наиболее трудоемкие операции, связанные с определением места повреждения линии электропередачи, в предлагаемом способе выполняются до возникновения повреждения на линии: определение параметров модели самой линии 19 или 20, составление напряженческих и токовых моделей, соответствующих местам предполагаемых повреждений.

На послеаварийное время остается значительно менее трудоемкая часть преобразований: формирование величин в уже готовых моделях, определение реактивного параметра (11) и операция (12) определения места, в котором этот параметр изменяет свой знак, переходя через нулевое значение.

Способ, таким образом, сокращает время определения места повреждения. Повышается и точность благодаря тому, что при составлении модели линии не делается никаких ограничений на учет ее особенностей.

Источники информации.

1. Айзенфельд А.И., Шалыт Г.М. Определение мест короткого замыкания на линиях с ответвлениями. М.: Энергоатомиздат. 1988.

2. Патент РФ N 2033622, кл. G 01 R 31/11, H 02 H 3/28, 1989. Бюллетень изобр., 1995, N 11 (прототип).

3. Нейман Л.Р., Демирчян К.С.Теоретические основы электротехники. Том 1. Л.: Энергоиздат. Ленинград. отд-ние. 1981 г.

4. Патент РФ N 2012971, кл. H 02 H 3/38, H 01 H 83/20. Бюл. изобр, 1994, N 9.

5. Лямец Ю. Я. , Ильин В.А. Трехфазное адаптивное реле сопротивления. /Электротехника 1994. N 1. C. 36-47.

Способ предназначен для определения места повреждения линий электропередачи с двусторонним питанием по результатам одностороннего измерения ее напряжений и токов. Для реализации способа фиксируют момент повреждения, измеряют в начале линии напряжения и токи основной гармоники аварийного и доаварийного режимов, выделяют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов, преобразуют измеренные величины и их аварийные составляющие с использованием образованных напряженческих и токовых моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, формируют реактивный параметр мест предполагаемого повреждения и определяют место повреждения по нулевому значению указанного параметра. Для преобразования измеренных на входе напряжений и токов доаварийного и аварийного режимов, а также их аварийных составляющих в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения определяют собственные и взаимные параметры модели линии электропередачи относительно группы ее входов в аварийном режиме и образуют элементарные модели с соответствующими собственными и взаимными параметрами, составляют аварийные напряженческую и токовую модели из разных пар элементарных моделей. При этом аварийную напряженческую модель составляют из первых и вторых элементарных моделей, аварийную токовую модель - из третьих и четвертых элементарных моделей. Первую элементарную модель образуют из собственных и взаимных проводимостей входов линии, вторую - из собственных и взаимных проводимостей между началом линии и местом предполагаемого повреждения, третью - из собственных и взаимных проводимостей между местом предполагаемого повреждения и началом линии, четвертую - из собственных и взаимных проводимостей входов мест предполагаемого повреждения. Аварийные составляющие измеряемых напряжений пропускают через первую элементарную модель, ее выходные величины пропускают в обратном направлении через вторую элементарную модель и получают аварийные составляющие напряжения в месте предполагаемого повреждения. Через третью элементарную модель пропускают аварийные составляющие измеренных напряжений, через четвертую элементарную модель пропускают выходные величины аварийной напряженческой модели. Полученные выходные величины суммируют с противоположным знаком, получая выходные величины аварийных токовых моделей - полные токи в месте предполагаемого повреждения. Изобретение сокращает время определения места повреждения за счет того, что наиболее трудоемкие операции выполняются на моделях заранее. 2 табл., 11 ил.

Способ определения места повреждения линии электропередачи с двусторонним питанием путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного и доаварийного режимов в начале линии, выделени аварийных составляющих измеренных напряжений и токов, преобразования измеренных величин и их аварийных составляющих с использованием образованных напряженческих и токовых моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, формирования реактивного параметра мест предполагаемого повреждения и определения места повреждения по нулевому значению указанного параметра, отличающийся тем, что определяют собственные и взаимные параметры модели линии электропередачи относительно групп ее входов в аварийном режиме и образуют элементарные модели с соответствующими собственными и взаимными параметрами, составляют аварийные напряженческую и токовую модели из разных пар элементарных моделей, причем аварийную напряженческую модель из первых и вторых элементарных моделей, аварийную токовую модель из третьих и четвертых элементарных моделей, при этом первую элементарную модель образуют из собственных и взаимных проводимостей входов линии, вторую - из собственных и взаимных проводимостей между началом линии и местом предполагаемого повреждения, третью - из собственных и взаимных проводимостей между местом предполагаемого повреждения и началом линии, четвертую - из собственных и взаимных проводимостей входов мест предполагаемого повреждения, пропускают через первую элементарную модель аварийные составляющие измеренных напряжений, ее выходные величины вычитают из аварийных составляющих входных токов, разностные величины пропускают в обратном направлении через вторую элементарную модель, получая выходные величины аварийной напряженческой модели - аварийные составляющие напряжения в месте предполагаемого повреждения, пропускают через третью элементарную модель аварийные составляющие измеренных напряжений, через четвертую элементарную модель пропускают выходные величины аварийной напряженческой модели, а выходные величины третьих и четвертых элементарных моделей суммируют с противоположными знаками, получая выходные величины аварийных токовых моделей - полные токи в месте предполагаемого повреждения.