СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО ФИДЕРА ПРИ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ Российский патент 2014 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите распределительных сетей, - это сети с малыми токами установившегося замыкания на землю, где существует проблема определения поврежденного фидера.

Известен способ распознавания аварийных ситуаций в линии электропередачи, основанный на использовании ее модели [1]. Моделируется та или иная аварийная ситуация, и модель поврежденной линии содержит по крайней мере один варьируемый параметр - координату места предполагаемого повреждения. Оценить координату помогает критерий повреждения. В сетях с большим током замыкания на землю критерий повреждения имеет отчетливую формулировку - переход реактивной мощности предполагаемого повреждения через нулевое значение [2]. В распределительных сетях, где процесс замыкания носит интенсивный характер лишь в течение ограниченного времени, подобного критерия не существует.

Известен более общий способ распознавания аварийных ситуаций в электрической системе с использованием моделей входящих в нее линий электропередачи [3]. Он позволяет разграничить линии, определив одну поврежденную, но лишь при условии многостороннего наблюдения электрической системы, что не имеет места в распределительных сетях.

Известен способ определения поврежденных фаз или поврежденного фидера на основе выделения аварийных слагаемых электрических величин [4]. К аварийным относятся в том числе и наиболее доступные для регистрации нулевые составляющие напряжения на шинах подстанции и нулевые составляющие токов в отходящих от нее фидерах. В современной микропроцессорной релейной защите наблюдаются отсчеты электрических величин. Наблюдаемое напряжение можно включить в модель электрической сети в виде источника напряжения, но поскольку модель аналоговая, то зафиксированные отсчеты должны быть подвергнуты цифроаналоговому преобразованию. Последующие операции определяются принятым критерием выявления поврежденного фидера. В обсуждаемом способе [4] критерием служит направление передачи энергии аварийных составляющих напряжений и токов. Эта энергия, согласно теоретическим представлениям, должна выходить из поврежденного фидера и входить в неповрежденные. Однако экспериментальная проверка этого способа в распределительных сетях обнаружила существенный недостаток энергетического критерия. Энергия определяется интегрированием во времени мгновенной мощности, а при этом неизбежно накапливаются ошибки, обусловленные погрешностью измерительных трансформаторов.

Целью предлагаемого технического решения является повышение селективности способа определения поврежденного фидера при замыкании на землю в распределительной сети.

Поставленная цель достигается тем, что к известным признакам добавлены новые, реализующие идею отказа от критериев поврежденного фидера и переходу к критерию неповрежденного состояния. Востребованы следующие признаки известного технического решения: фиксация (регистрация) отсчетов напряжения нулевой последовательности на общих шинах распределительной сети, а также фиксация тока нулевой последовательности в каждом фидере, наблюдение сети ведется в дискретном времени с заданной частотой дискретизации; напряжение нулевой последовательности подвергается цифроаналоговому преобразованию, после чего подается на вход модели каждого фидера контролируемой сети по нулевой последовательности. В известных технических решениях речь идет о моделях поврежденных фидеров. Здесь же используются иные модели, а именно те, что характерны для процессов в каждом неповрежденном фидере. Каждая модель откликается на воздействие преобразованного в аналоговую форму напряжения нулевой последовательности током нулевой последовательности. Аналоговые токи моделей подвергаются аналого-цифровому преобразованию с той же частотой дискретизации, что и токи наблюдаемой сети. Между реальным и модельным током каждого фидера существует расхождение. Оно определяется и служит критерием разграничения поврежденного и неповрежденного состояния фидера.

В дополнительных пунктах формулы изобретения раскрывается механизм определения расхождения между двумя упомянутыми дискретными токами, а также указываются операции, конкретизирующие процедуру выявления поврежденного фидера. Предлагается формировать расхождение между токами в виде среднеквадратического отклонения отсчетов этих токов на интервале наблюдения процесса замыкания на землю, а выявлять поврежденный фидер предлагается путем сравнения величины расхождения токов с уставкой либо путем сравнения величин расхождения токов разных фидеров друг с другом.

На фиг.1 изображена принципиальная схема распределительной сети с двумя фидерами и подключенными к сети измерительными трансформаторами нулевой последовательности, на фиг.2 показана модель одного из фидеров по нулевой последовательности и на фиг.3 - иллюстрация процедуры сравнения двух дискретных токов: одного, наблюдаемого в реальном фидере, и второго, наблюдаемого в модели этого фидера. Фиг.4-6 иллюстрируют теоретические основы предлагаемого способа, на фиг.4 изображена трехфидерная сеть в режиме замыкания фазы одного из фидеров на землю, на фиг.5 - модель той же сети по нулевой последовательности, где фидеры представлены однолинейными цепями, а на фиг.6 та же модель изображена в виде соединения одного трехполюсника и трех двухполюсников.

В схеме распределительной сети указаны общие шины 1, фидеры 2 и 3. К каждому фидеру подключен один из трансформаторов тока нулевой последовательности 4, 5, а к общим шинам подключен трансформатор напряжения нулевой последовательности 6. Наблюдаемые величины нулевой последовательности подаются на аналого-цифровые преобразователи 7-9, выдающие дискретные токи i_0,d(k), i_0,d+1(k) и дискретное напряжение u₀(k), где k - дискретное время (номер отчета), d - номер фидера.

Модель по нулевой последовательности неповрежденного d-го фидера представлена в виде цепочечной структуры 10 с продольными резистивно-индуктивными элементами и поперечными конденсаторами. Дискретное напряжение u₀(k) подается на модель через цифроаналоговый преобразователь 11, преобразующий u₀(k) в аналоговую величину $$\stackrel{⌢}{u}{}_0(t)$$ . На воздействие $$\stackrel{⌢}{u}{}_0(t)$$ модель откликается аналоговым током $$\stackrel{⌢}{i}{}_{\mathrm{0,}d}(t)$$ , который через трансформатор тока 12 подается на аналого-цифровой преобразователь 13. Последний работает с такой же частотой дискретизации, как и сетевые аналого-цифровые преобразователи 7-9, поэтому выходной сигнал $$\stackrel{⌢}{i}{}_{\mathrm{0,}d}(k)$$ модельного преобразователя 13 правомерно рассматривать в том же дискретном времени k, что и наблюдаемый ток d-го фидера i_0,d(k). Расхождение между током объекта и током его модели определяется компаратором 14, выделяющим среднеквадратическое отклонение двух выборок, каждая из которых состоит из n отсчетов своего тока:

$$\Delta I{}_{\mathrm{0,}d}=\sqrt{\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{k=1}^n\left[i{}_{\mathrm{0,}d}(k)-\stackrel{⌢}{i}{}_{\mathrm{0,}d}(k)\right]}{}^2},$$

где ΔI_0,d - выходной сигнал компаратора 14.

Теоретические основы предлагаемого способа поясняются на примере трехфидерной сети 15-17, которая в режиме замыкания на землю имеет однолинейную модель 18-20 по нулевой последовательности, а та в свою очередь реализуется структурой с одним трехполюсником 21 и тремя двухполюсниками 22-24.

В нормальном режиме работы распределительной сети уровни всех величин нулевой последовательности полагаются пренебрежимо малыми, в противном случае процесс, предшествующий замыканию, должен быть экстраполирован на время после замыкания и удален из текущего процесса замыкания на землю. После замыкания, произошедшего в одном из фидеров, появляется напряжение нулевой последовательности на общих шинах 1 и токи нулевой последовательности во всех фидерах 2, 3, как в поврежденном, так и в неповрежденном. Величины нулевой последовательности выделяются трансформаторами тока 4, 5 и напряжения 6 и преобразуются аналого-цифровыми преобразователями 7-9 в дискретные сигналы i_0,d(k), i_0,d+1(k), u₀(k)

Напряжение u₀(k) возвращается в аналоговую форму цифроаналоговым преобразователем 11, и его выходной сигнал $$\stackrel{⌢}{u}{}_0(t)$$ подается на входы моделей всех фидеров. На фиг.2 показана только одна модель. Двойное преобразование напряжения нулевой последовательности необходимо и неизбежно, так как регистрация всех величин происходит в цифровой форме и именно так сохраняется в памяти микропроцессорного терминала, между тем как модель фидера функционирует в непрерывном времени. Выходное напряжение $$\stackrel{⌢}{u}{}_0(t)$$ преобразователя 11 подается на входы моделей всех фидеров распределительной сети, как это показано на фиг.2 применительно к модели 10 одного d-го фидера. Сигнал $$\stackrel{⌢}{u}{}_0(t)$$ в нормальном режиме работы сети находится на нулевом уровне. После замыкания на землю, случившегося в каком-нибудь, например в (d+1)-м фидере 3, уровень этого напряжения скачкообразно нарастает. В модели 10 неповрежденного d-го фидера напряжение $$\stackrel{⌢}{u}{}_0(t)$$ вызовет реакцию в виде аналогового тока $$\stackrel{⌢}{i}{}_{\mathrm{0,}d}(t)$$ . После его передачи трансформатором тока 12 и аналогово-цифровым преобразователем 13 создается дискретный ток $$\stackrel{⌢}{i}{}_{\mathrm{0,}d}(k)$$ , близкий к наблюдаемому i_0,d(k) неповрежденного фидера 2. Подобная ситуация сложится и в моделях всех прочих неповрежденных фидеров. Исключение составит лишь один поврежденный (d+1)-й фидер 3. Модель этого фидера, как и всех остальных, построена в предположении о его неповрежденном состоянии, вследствие чего ток модели $$\stackrel{⌢}{i}{}_{\mathrm{0,}d+1}(k)$$ будет далек от реального тока i_0,d+1(k). Соответственно, на выходе компаратора 14 неповрежденного d-го фидера появится сигнал низкого уровня ΔI_0,d а на выходе аналогичного компаратора поврежденного (d+1)-гo фидера сигнал ΔI_0,d+1 достигнет высокого уровня.

Выходные сигналы компараторов сравниваются с уставкой, исключающей неселективное поведение наблюдателя вследствие некоторой неадекватности модели реальному объекту.

Возможно выполнение защиты всех отходящих от подстанции фидеров на одном терминале или же на автономных терминалах для каждого фидера, но с обменом сигналами между ними. В этом случае поврежденный фидер обнаруживает операцию сравнения между собой сигналов ΔI_0,d разных фидеров. Наибольший сигнал принадлежит поврежденному фидеру.

Предлагаемый способ основан на теоретическом положении, поясняемом на фиг.4-6 и заключающемся в том, что в модели неповрежденного фидера ток нулевой последовательности вполне определяется зафиксированным напряжением нулевой последовательности на общих шинах u₀(t). Предположим, что в трехфидерной схеме 15-17 произошло замыкание на землю в третьем фидере 17, а два других фидера 15,16 не повреждены. Фидеры обладают распределенной индуктивностью и емкостью на землю. Это параметры нулевой последовательности. Взаимная индуктивность между фидерами полагается пренебрежимо малой. Модель сети по нулевой последовательности представляет собой трехпроводную структуру 18-20 (фиг.5). Так как нагрузки фидеров не имеют связи с землей, то однопроводная модель фидера по нулевой последовательности не несет нагрузки. Наблюдаемый процесс нулевой последовательности создается источником тока 3i_0f, действующим в месте повреждения. С общими шинами его связывает трехполюсник 21 - левый участок фидера (фиг.6). Неповрежденные фидеры 15, 16, представленные моделями 18, 19, по отношению к общим шинам являются двухполюсниками 22, 23, так же как и правая часть 24 поврежденного фидера 20 по отношению к источнику 3i_0f. Структура по фиг.6 вполне объясняет правомерность определения токов 3i₀₁ и 3i₀₂ неповрежденных фидеров 15 и 16 по общему для них напряжению на шинах 3u₀.

Предложенный способ выявления фидера, поврежденного замыканием на землю, позволил обойти проблему выбора критериев повреждения, стоящую особенно остро в распределительных сетях, где встречаются перемежающиеся дуги и резко проявляется нелинейность дуги. Подобный подход, заменяющий целенаправленный поиск поврежденной части системы контролем исправности ее отдельных частей, стал возможен благодаря тому, что напряжение и ток на входе каждого неповрежденного фидера связаны закономерностями, присущими автономной модели только его одного.

Источники информации

1. Патент РФ №2033622, G01R31/11, Н02Н 3/28, 1989.

2. Лямец Ю.Я., Ильин В.А., Подшивалин Н.В. Программный комплекс анализа аварийных процессов и определения места повреждения линии электропередачи. -Электричество, 1996, №12, с.2-7.

3. Патент РФ №2033623, G01R 31/11, Н02НЗ/28,1989.

4. Патент РФ №2050660, Н02Н 3/38, Н02Н 3/26, Н02Н 7/26, 1992.

Изобретение относится к области релейной защиты и автоматики. Сущность: фиксируют с заданной частотой дискретизации отсчеты напряжения нулевой последовательности на общих шинах и отсчеты токов нулевой последовательности в каждом фидере распределительной сети. Осуществляют цифро-аналоговое преобразование отсчетов напряжения нулевой последовательности и подают преобразованное напряжение на вход модели каждого фидера по нулевой последовательности, причем модели составляют для нормального состояния фидеров. Выполняют аналого-цифровое преобразование тока нулевой последовательности модели каждого фидера с заданной частотой дискретизации. Определяют расхождение между отсчетами тока нулевой последовательности каждого реального фидера и отсчетами тока его модели. По величине расхождения выявляют поврежденный фидер. Технический результат: повышение селективности. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения поврежденного фидера при замыкании на землю в распределительной сети путем фиксации с заданной частотой дискретизации отсчетов напряжения нулевой последовательности на общих шинах и отсчетов токов нулевой последовательности в каждом фидере распределительной сети, цифро-аналогового преобразования отсчетов напряжения нулевой последовательности и подачи преобразованного напряжения на вход модели каждого фидера по нулевой последовательности, отличающийся тем, что упомянутые модели составляют для нормального состояния фидеров, выполняют аналого-цифровое преобразование тока нулевой последовательности модели каждого фидера с заданной частотой дискретизации, определяют расхождение между отсчетами тока нулевой последовательности каждого реального фидера и отсчетами тока его модели и по величине расхождения выявляют поврежденный фидер.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расхождение токов определяют как среднеквадратическое отклонение их отсчетов на интервале фиксации процесса замыкания на землю в распределительной сети.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поврежденный фидер выявляют путем сравнения величины расхождения токов с заданной уставкой.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что поврежденный фидер выявляют путем сравнения друг с другом величин расхождения токов в разных фидерах и определения фидера с наибольшим расхождением.