СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ОДНОСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике электрических систем, и предназначено для послеаварийной диагностики состояния линий электропередачи с односторонним питанием.

Известны способы одностороннего определения места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели [1]. Согласно этим способам фиксируют момент 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 [1]. Указанным способом присуща методическая погрешность, в частности результата от переходного сопротивления короткого замыкания.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ определения места повреждения линии с односторонним питанием, в котором фиксируют момент повреждения, измеряют напряжения и токи основной гармоники аварийного режима в начале линии, преобразуют измеренные величины 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 реактивного параметра [2].

По сути дела в прототипе формируются частичные модели двух типов, позволяющих преобразовать измеренные напряжения и токи начала линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, из которых затем формируется реактивный параметр мест предполагаемого повреждения. В первых частичных моделях преобразуют измеренные напряжения и токи аварийного режима в напряжения мест предполагаемого повреждения, во вторых частичных моделях преобразуют измеренные токи и выходные напряжения первой модели (напряжения мест предполагаемого повреждения) в токи мест предполагаемого повреждения. Преобразования во всех моделях производят специфически подают на их входы измеренные напряжения основной гармоники аварийного режима и уравновешивают токи основной гармоники моделей и измеренных токов путем подключения и регулирования комплексной нагрузки в месте предполагаемого повреждения.

Недостатком такого способа является чрезмерно большое время, необходимое для определения места повреждения после фиксации момента повреждения. Как следует из вышеописанного, формирование реактивного параметра мест предполагаемого повреждения принципиально возможно только после фиксации момента повреждения и измерения токов и напряжений аварийного режима в начале линии, так как только тогда появляется возможность сравнения токов модели и измеренных токов. Кроме того, сложность преобразования измеренных 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 определения места повреждения линии электропередачи с односторонним питанием фиксируют момент повреждения, измеряют напряжения и токи основной гармоники аварийного режима в начале линии, преобразуют их с использованием моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения и конца линии, для чего определяют собственные и взаимные параметры модели линии электропередачи относительно двух групп зажимов: начала линии и мест предполагаемого повреждения, образуют четыре элементарные модели с соответствующими собственными и взаимными параметрами, составляют частичные модели из разных пар элементарных моделей, причем первую частичную модель - из первых и вторых элементарных моделей, вторую - из третьих и четвертых, причем первую элементарную модель образуют из собственных и взаимных проводимостей входов начала линии, вторую - из взаимных проводимостей между началом линии и местами предполагаемого повреждения, пропускают через первую элементарную модель измеренные напряжения аварийного режима, их выходные величины вычитают из токов аварийного режима, а разностные величины пропускают в обратном направлении через вторую элементарную модель, получая выходные величины первой частичной модели; третью элементарную модель образуют из взаимных проводимостей между местами предполагаемого повреждения и началом линии, четвертую - из собственных и взаимных проводимостей зажимов мест предполагаемого повреждения, пропускают через третью элементарную модель измеренные напряжения аварийного режима, через четвертую - выходные величины первой частичной модели, суммируют выходные величины третьих и четвертых элементарных моделей с противоположными знаками, получая выходные величины второй частичной модели;
третью элементарную модель можно образовать из собственных и взаимных сопротивлений входов начала линии, четвертую - из взаимных сопротивлений между началом линии и местами предполагаемого повреждения, пропускают через третью элементарную модель измеренные токи аварийного режима, из их выходных величин вычитают измеренные напряжения аварийного режима, а разностные величины пропускают в обратном направлении через четвертую элементарную модель, получая выходные величины второй частичной модели.

Прототип в итоге дополняется рядом операций, позволяющих сократить время, затрачиваемое на определения места повреждения после фиксации аварии, так как по-новому решается проблема преобразования измеренных 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 выполняться параллельно, не увеличивая общего времени обработки информации о состоянии линии электропередачи. К таким операциям относится определение собственных и взаимных параметров места наблюдения и мест предполагаемого повреждения, образование частичных моделей с указанными собственными и взаимными параметрами, попарная группировка частичных моделей. После возникновения короткого замыкания выполняется лишь некоторое ограниченное число операций: подача измеренных напряжений и токов на входы соответствующих частичных моделей напряжений и токов мест предполагаемого повреждения, формирование реактивного параметра, поиск места повреждения по нулевому значению последнего.

Способ сокращает время определения места повреждения. Точность определения места повреждения благодаря тому, что при составлении модели линии не делается никаких ограничений на учет ее особенностей, остается высокой.

На фиг. 1 изображена функциональная схема линии электропередачи; на фиг. 2 - полная модель этой линии, на фиг. 3-8 - схемы операций с моделью для определения собственных и взаимных проводимостей, на фиг 9-11 - то же, но для определения сопротивлений; на фиг. 12 и 13 - две структуры частичных моделей, формируемых из элементарных моделей. В табл. 1 приведена сводка операций, выполняемых в частичных моделях, в табл. 2 приведен состав входных и выходных величин частичных моделей, составляющие их пара элементарных моделей, применительно к структурам частичных моделей фиг. 12 и 13.

Место наблюдения линии (фиг.1), отмеченное входными зажимами 1, 2, 3, считается ее началом, и от него ведется отсчет расстояния х. В предлагаемом способе это расстояние истолковывается еще и как место предполагаемого повреждения, отмеченное зажимами 4, 5, 6. Еще одной группой зажимов 7,8,9 отмечена трехпроводная часть ненаблюдаемой стороны электропередачи (конец линии).

Помимо фазных проводов линии 10, схема электропередачи содержит грозозащитный трос 11, отпайки 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 входит нагрузка 15 и повреждение как объект 16, создавший аварийный режим.

Электропередача в доаварийном режиме характеризуется моделью 17, состоящей из модели линии 18 и модели нагрузки 15.

При определении собственных и взаимных проводимостей для каждого места предполагаемого повреждения выполняют максимум шесть подключений модели (фиг. 3-8) одним из шести зажимов к единичному источнику напряжения 19, при этом все прочие пять зажимов замыкаются на общую шину. Если же определяются собственные и взаимные сопротивления, то используют три подключения одного их входных зажимов модели (фиг. 9-10) к единичному источнику тока 20. При этом все прочие зажимы разомкнуты.

По собственным и взаимным параметрам полной модели 17 формируют различные элементарные модели 21, 22, из которых затем составляют с использованием операции суммирования 23 частичные модели 24, 25 (фиг.3).

Далее используются следующие обозначения и понятия:
I. - вектор фазных напряжений,
- вектор фазных токов,
где т - индекс транспортирования.

Для краткости назовем просто напряжением в месте предполагаемого повреждения х, - измеренным напряжением в начале линии - измеренным током в начале линии, - током в предполагаемом повреждении. Речь везде идет о величинах основной гармоники.

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

- собственных и взаимных сопротивлений (параметров), определенных в предположении, что повреждение в месте х ликвидировано: зажимы 4-6 отключены от земли; блоки матрицы есть элементарные модели

III. Элементарные модели:
- первая, - третья; составлены из собственных и взаимных проводимостей (сопротивлений) входов места наблюдения (зажимы 1-3); заметим, что модель от координаты х не зависит;
- вторая - четвертая; составлены из взаимных проводимостей (сопротивлений) между местом наблюдения и местом предполагаемого повреждения (зажимы 1-3 и 4-6);
- четвертая; составлена из собственных и взаимных проводимостей места предполагаемого повреждения (зажимы 4-6);
- третья; составлена из взаимных проводимостей между местом предполагаемого повреждения и местом наблюдения (зажимы 4-6 и 1-3).

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

IV. Полная пассивная модель электропередачи 17, 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]:

B режиме короткого замыкания различие сопротивлений прямой и обратной последовательности электрических машин обычно незначительно, и тогда выполняется свойство взаимности для собственных и взаимных параметров (проводимостей или сопротивлений)

Если выполняется свойство (2), то матрица - симметрическая, и из 36 ее элементов независимых остается только двадцать один.

Уравнение (1) может быть преобразовано к двум матричным уравнениям, связывающим ток наблюдения и ток повреждения с напряжениями

Рассматривая зажимы наблюдения 1-3 как входные зажимы восьмиполюсника, а 4-6 - как выходные, можно преобразовать уравнение (3) к форме обратной передачи, выразив выходное напряжение через входные напряжение и ток

Уравнения в форме аналогичны (1)
а матрица и ее блоки отличаются от только обозначениями:

Для выходного тока из (6) следует выражение, аналогичное (5)

Для предлагаемого способа принципиально важно, что собственные и взаимные проводимости, как и сопротивления, не зависят ни от вида короткого замыкания, ни от величин переходных сопротивлений, и определяются заранее, до обнаружения повреждения, к тому же во многом независимо друг от друга. Использование же проводимостей или сопротивлений связано лишь с тем, в какой степени это способствует ускорению преобразования входных величин.

Предлагаемый способ определения места повреждения линии электропередачи с односторонним 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 аварийного режима в начале линии.

3. Преобразуют измеренные напряжения и токи с использованием моделей в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения с учетом приведенных выше определений, понятий, для чего:
3.1. Определяют и собственные параметры (проводимости и сопротивления) модели линии электропередачи относительно двух групп зажимов: начала линии и мест предполагаемого повреждения.

Отметим, что операции составляющие данный подпункт связаны с испытаниями модели линии 17, 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 17 (фиг. 3-8). При каждом включении на один из шести зажимов электропередачи 1-6 подают единичное напряжение от источника 19. Все остальные пять зажимов при этом закорачивают на общую шину. Измеряя токи, втекающие в зажимы, получают соответствующие проводимости. Свойство взаимности (2), дает возможность сократить число измеряемых токов: при первом включении (фиг. 3) измеряют 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 17 могут быть включены независимо друг от друга в одно и то же время.

Собственные и взаимные сопротивления определяются с тем лишь отличием (фиг. 9-1), что зажимы модели 17 остаются разомкнутыми, на один из зажимов подается единичный ток от источника 20, а на других измеряют напряжения.

Испытания модели 17 в соответствии со схемами фиг. 3-11 проводят для заданного числа мест предполагаемого замыкания х с целью формирования для каждого из них матриц .

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

3.3. Составляют первые и вторые частичные модели из разных пар элементарных моделей, причем первую частичную модель - из первых и вторых элементарных моделей, вторую - из третьих и четвертых.

Первую элементарную модель образуют на собственных и взаимных проводимостей входов начала линии, вторую - из взаимных проводимостей между началом линии и местом предполагаемого повреждения.

Существует два варианта образования третьей и четвертых элементарных моделей:
В соответствии с первым, третью элементарную модель образуют из взаимных проводимостей между местами предполагаемого повреждения и началом линии, четвертую - из собственных и взаимных проводимостей зажимов мест предполагаемого повреждения;
в соответствии с вторым, третью элементарную модель образуют из собственных и взаимных сопротивлений входов начала линии, четвертую - из взаимных сопротивлений между началом линии и местами предполагаемого повреждения.

Из элементарных моделей составляются частичные модели двух типов, осуществляющие преобразования входных величин в выходную (фиг. 12, 13)

они охватывают все операции (3) -(7), если параметры и входные величины задаются согласно табл.1. Полное описание всех применяемых в данном способе частичных моделей видно из табл. 2.

Частичные модели целесообразно выполнять на элементах цифровой техники, записывая матрицы в памяти микропроцессорного контроллера.

Еще раз подчеркнем, что пункты 3.1-3.3 являются подготовительными и выполняется на полной модели 18 ( фиг. 2) заранее, до возникновения аварии.

После фиксации момента аварии и измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного режима в начале линии, начинается непосредственное преобразование измеренных напряжений и токов с использованием моделей в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения.

3.4. Напряжения в местах предполагаемого повреждения формируются в частичных моделях только типа (8), реализующих операцию (5) (табл. 2). А формирование токов производят по одному из двух возможных вариантов. В первом варианте частичная модель реализует операцию (4), а во втором - операцию (7).

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

5. 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)=0, (15)
что вытекает из резистивной природы повреждения [5].

Таким образом, наиболее трудоемкие операции, связанные с определением места повреждения линии электропередачи, в предлагаемом способе выполняются до повреждения линии: определение собственных и взаимных параметров модели самой линии 18, составление частичных моделей, привязанных к местам предполагаемых повреждений. На послеаварийное время остается значительно менее трудоемкая часть преобразований: формирование величин в уже готовых частичных модулях, определение реактивного параметра (14) и операции (15) 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.

Использование: для послеаварийной диагностики состояния линий электропередачи с односторонним питанием, сокращает время определения места повреждения, увеличивает точность. Способ заключается в том, что фиксируют момент повреждения, измеряют напряжения и токи основной гармоники аварийного режима в начале линии, преобразуют их с использованием моделей линий в направлении и токи мест предполагаемого повреждения и конца линии, для чего определяют собственные и взаимные параметры модели линии электропередачи относительно двух групп зажимов: начала линии и мест предполагаемого повреждения, образуют четыре элементарные модели с соответствующими собственными и взаимными параметрами, составляют частичные модели из разных пар моделей пропускают через первую элементарную модель измеренные напряжения аварийного режима, их выходные величины вычитают из токов аварийного режима. Разностные величины пропускают в обратном направлении через вторую элементарную модель, получая выходные величины первой частичной модели, пропускают через третью элементарную модель измеренные напряжения аварийного режима, через четвертую- выходные величины первой частичной модели, суммируют выходные величины третьих и четвертых элементарных моделей с противоположными знаками, получая выходные величины второй частичной модели. 2 с.п. ф-лы, 2 табл. 13 ил.

1. Способ определения места повреждения линии электропередачи с односторонним питанием путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного режима в начале линии, их преобразования с использованием образованных 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 зажимов начала линии и мест предполагаемого повреждения, образуют четыре элементарные модели с соответствующими собственными и взаимными параметрами, составляют частичные модели из разных пар элементарных моделей, причем первую частичную модель - из первый и вторых элементарных моделей, вторую - из третьих и четвертых, при этом первую элементарную модель образуют из собственных и взаимных проводимостей входов начала линии, вторую - из взаимных проводимостей между началом линии и местами предполагаемого повреждения, пропускают через первую элементарную модель измеренные напряжения аварийного режима, их выходные величины вычитают из токов аварийного режима, а разностные величины пропускают в обратном направлении через вторую элементарную модель, получая выходные величины первой частичной модели, третью элементарную модель образуют из взаимных проводимостей между местами предполагаемого повреждения и началом линии, четвертую - из собственных и взаимных проводимостей зажимов мест предполагаемого повреждения, пропускают через третью элементарную модель измеренные напряжения аварийного режима, через четвертую - выходные величины первой частичной модели, суммируют выходные величины третьих и четвертых элементарных моделей с противоположными знаками, получая выходные величины второй частичной модели. 2. Способ определения места повреждения линии электропередачи с односторонним питанием путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного режима в начале линии, их преобразования с использованием образованных 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 зажимов начала линии и мест предполагаемого повреждения, образуют четыре элементарные модели с соответствующими собственными и взаимными параметрами, составляют частичные модели из разных пар элементарных моделей, причем первую частичную модель - из первых и вторых элементарных моделей, вторую - из третьих и четвертых, при этом первую элементарную модель образуют из собственных и взаимных проводимостей входов начала линии, вторую - из взаимных проводимостей между началом линии и местами предполагаемого повреждения, пропускают через первую элементарную модель измеренные напряжения аварийного режима, их выходные величины вычитают из токов аварийного режима, а разностные величины пропускают в обратном направлении через вторую элементарную модель, получая выходные величины первой частичной модели, третью элементарную модель образуют из собственных и взаимных сопротивлений входов начала линии, четвертую - из взаимных сопротивлений между началом линии и местами предполагаемого повреждения, пропускают через третью элементарную модель измеренные токи аварийного режима, из их выходных величин вычитают измеренные напряжения аварийного режима, а разностные величины пропускают в обратном направлении через четвертую элементарную модель для получения выходных величин второй частичной модели.