СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ЗАМЫКАНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ДВУХСТОРОННЕМ НАБЛЮДЕННИ Российский патент 2015 года по МПК H02H3/28 G01R31/08 

Изобретение относится к релейной защите и автоматике электрических систем и предназначено, в первую очередь, для локации повреждения (определения места замыкания) линий электропередачи - высоковольтных, с глухозаземленной нейтралью, а также и для решения особой задачи - определения места замыкания фидера на землю. Фидер - линия электропередачи среднего напряжения в составе распределительной сети, которая, как известно, выполняется с изолированной или компенсированной нейтралью.

Известны способы определения места замыкания в линии электропередачи, опирающиеся на использование ее модели и ведущие свое начало от технических решений [1, 2]. Хотя они и предусматривают возможность варьирования информационной базы, но ориентированы преимущественно на одностороннее наблюдение линии, что было и все еще остается наиболее распространенным исполнением локаторов повреждений. Новые технические возможности обмена информацией между отдаленными подстанциями по оптоволоконной связи делают актуальным переход от локаторов одностороннего наблюдения к локаторам двухстороннего наблюдения [3]. Желательно при этом предельно упростить критерии повреждения. Известен способ двухстороннего наблюдения, преследующий такую цель [4]. В нем достигается ощутимое упрощение благодаря выделению в модели электропередачи участка, на котором допустимо не учитывать распределенную емкость. Однако кардинального упрощения локации при двухстороннем наблюдении по сравнению с односторонним добиться все же не удалось, так как в модель линии включается многофазная в общем случае модель повреждения. В результате и модель электропередачи должна быть выполнена тоже многофазной. Ее невозможно выполнить в базисе только прямой или нулевой последовательности. Кроме того, обсуждаемый способ не обладает инвариантностью относительно режима нейтрали наблюдаемой сети.

Поставленная цель упрощения и универсализации критерия повреждения достигается тем, что при двухстороннем наблюдении линии электропередачи локация повреждений выполняется при помощи простейших двухпроводных моделей прямой последовательности (в сетях с глухозаземленной нейтралью) или нулевой последовательности (в сетях с изолированной нейтралью). Как и в прототипе, фиксируются токи и напряжения обеих сторон линии. Первоначально фиксируются мгновенные значения. В распределительных сетях при распознавании замыкания на землю нужны именно они. Подобная ситуация возникает и в высоковольтных сетях, где установлены быстродействующие выключатели, из-за малого времени наблюдения процесса короткого замыкания. В противном случае оправдан переход от мгновенных значений к комплексам синусоидальных составляющих основной частоты. Токи и напряжения фиксируются как в текущем режиме короткого замыкания, так и в предшествующем режиме, что позволяет выделить аварийные составляющие электрических величин, тесно связанные с местом замыкания.

Существенная новизна предлагаемого способа видится в операциях, производимых с двухпроводными моделями электропередачи. Один за другим создаются два различных режима модели. Первый режим - пассивный. К модели неповрежденной линии с двух сторон подключаются источники, воспроизводящие наблюдаемые величины. Источники разного типа. С одной стороны подается ЭДС, т.е. источник наблюдаемого там напряжения, а с другой стороны подключается источник наблюдаемого оттуда тока. По введенной здесь нумерации - это первое напряжение и первый ток. Модель реагирует на них вторым током на первом входе и вторым напряжением на втором входе. Определяют третьи ток и напряжение как разности между первым и вторым токами и, соответственно, напряжениями.

Затем создается второй режим - активный, в котором первый вход двухпроводной модели шунтируют, а второй вход размыкают. В этом режиме в неизвестном месте модели действует неизвестный источник, а известны ток на зашунтированном входе и напряжение на разомкнутом - это третий ток и третье напряжение. Соотношение между этими величинами решает обширный спектр задач локации повреждений линий электропередачи. В сетях с глухозаземленной нейтралью используются двухпроводные модели прямой последовательности и безнулевые составляющие наблюдаемых напряжений и токов, а в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью для выявления места замыкания на землю - двухпроводные модели нулевой последовательности и соответствующие составляющие наблюдаемых напряжений и токов.

Дополнительные пункты формулы изобретения конкретизируют взаимосвязь третьего тока и третьего напряжения с координатой места повреждения линии. Рассмотрен ряд вариантов: определение места замыкания по мгновенным значениям третьих тока и напряжения в однородной короткой линии электропередачи, в неоднородной короткой линии (в коротких линиях допустимо пренебречь распределенной емкостью), в однородной линии произвольной длины, в произвольной системе и, наконец, по мгновенным значениям третьих электрических величин в однородной линии электропередачи произвольной длины. Для определения места замыкания на землю в распределительной сети предназначаются те варианты, которые оперируют мгновенными значениями электрических величин. В этих вариантах используются модели как прямой, так и нулевой последовательности. Варианты, в которых наблюдаемые величины преобразуются в комплексную форму, предназначаются для распознавания замыканий в высоковольтных сетях, а также междуфазных и трехфазных замыканий в распределительных сетях.

На фиг.1 представлена схема линии электропередачи, наблюдаемой с двух сторон, в режиме короткого замыкания произвольного вида. Фиг.2-5 иллюстрируют обработку величин, наблюдавшихся в двух определенных режимах, фильтрами аварийных составляющих. Фиг.6-9 демонстрируют операцию выделения безнулевых составляющих. На фиг.10 представлена двухпроводная модель короткой линии в режиме короткого замыкания. На фиг.11 эта модель показана в пассивном режиме, а на фиг.12 - в активном. На фиг.13-15 та же модель показана в тех же режимах, но не для мгновенных, а для комплексных электрических величин. На фиг.16 модель короткой, но неоднородной линии показана только в одном активном режиме. На фиг.17-19 в том же активном режиме показаны соответственно: модель произвольной электропередачи, модель однородной линии с распределенными параметрами для комплексов и для мгновенных значений электрических величин.

Рассматриваемая электропередача состоит из собственно линии 1 и концевых подстанций 2, 3, связанных со своими энергосистемами, о чем свидетельствуют источники 4, 5. На подстанциях ведется наблюдение и фиксируются токи и напряжения i_sv, u_sv, i_rv, u_rv, где v=A, B, C - обозначение произвольной фазы. В предшествующем режиме фиксируются величины i_sv,пд(t), u_sv,пд(t), i_rv,пд(t), u_rv,пд(t), t<t_кз, где t_кз - момент смены предшествующего режима новым режимом короткого замыкания, в котором фиксируются величины i_sv,кз(t), u_sv,кз(t), i_rv,кз(t), u_rv,кз(t), t≥t_кз. Фильтры аварийных составляющих 6-9 реализуют в общем случае операцию [5]

где υ - общее обозначение электрической величины, - экстраполяция предшествующего режима на время после короткого замыкания. Если наблюдается режим с большим током короткого замыкания, то наблюдаемые величины υ_кз(t) удается преобразовать в комплексы . Соответственно, и в предшествующем режиме величины υ_пд(t) преобразуются в комплексы . Тогда вместо мгновенных значений аварийных составляющих υ_ав(t) определяются их комплексы

Экстраполяция в таком случае может потребоваться лишь в той ситуации, когда в предшествующем режиме работы электропередачи наблюдались качания или асинхронный ход [6].

В предлагаемом способе предусмотрено разделение наблюдаемых величин на составляющую нулевой последовательности

и безнулевые составляющие

Последнюю операцию выполняют вычитающие блоки 10-13.

Фиг.10-12 иллюстрируют распознавание места повреждения в короткой линии электропередачи, двухпроводная модель которой построена без учета распределенной емкости. Удельные сопротивление и индуктивность линии и указаны конкретно для прямой последовательности, так как для модели нулевой последовательности этот вариант не рекомендуется. Отличие фиг.13-15 от фиг.10-12 заключается только в том, что в первых действуют комплексы токов и напряжений, а не мгновенные значения, и удельные параметры объединены в комплексное сопротивление . На фиг.16 неоднородная короткая линия 14 обозначена прямоугольником. Сопротивление линии относительно ее начала является функцией расстояния x и определяется в неповрежденной линии. Электропередача как часть произвольной системы обозначена блоком 15, который наблюдается на входном и выходном зажимах s и r, а в неизвестном месте f действует источник аварийного тока . На фиг.18, 19 приведена двухпроводная модель электропередачи, в которой учтена распределенная емкость. Схемы фиг.15-19 воспроизводят активный режим модели. Пассивный режим ввиду его простоты иллюстрируется только двумя схемами по фиг.11 и 14.

Излагаемый способ представляет собой последовательность следующих операций. Токи и напряжения i_sv, u_sv, i_rv, u_rv, наблюдаемые на разных сторонах линии 1 в предшествующем и текущем режимах, фиксируются. По каналу связи происходит обмен информацией между подстанциями 2 и 3. Фильтры аварийных составляющих 6-9, реализующие операцию (1а) или (1б), выделяют наиболее важные в информационном отношении величины i_sv,ав(t), u_sv,ав(t), i_rv,ав(t), u_rv,ав(t). Вычитающие блоки 10-13 выделяют из этих величин безнулевые составляющие i'_sv, u'_sv, i'_rv, u'_rv. Составляющие нулевой последовательности i_s0, u_s0, i_r0, u_r0 наблюдаются автономно или выделяются из фазных величин операцией (2).

Рассмотрим действие предлагаемого способа на примере короткой линии с двухпроводной моделью прямой последовательности по фиг.10. Модель насчитывает четыре известные граничные величины i_s1, u_s1, i_r1, u_r1, где индексом 1 отмечены первые в введенной нумерации электрические величины, и неизвестный источник тока i_f. Согласно данному способу модель прежде всего переводится в пассивный режим (фиг.11) путем исключения из нее тока повреждения и включения на разных сторонах линий разных источников: на левой стороне - источника напряжения (ЭДС) u_s1, а на правой - источника тока i_r1. Реакциями на воздействие этих источников явятся ток i_s2 и напряжение u_r2. Тем самым определится вклад неизвестного тока i_f в ток левой стороны линии и напряжение правой стороны (фиг.12)

i_s3=i_s1-i_s2.

Структура данной модели в активном режиме по фиг.12 отличается особой простотой, так как в ней сразу же определяется ситуация в месте короткого замыкания

i_f=i_s3, u_f=u_r3,

а связь между этими величинами определяет координату места короткого замыкания

Комплексная форма той же модели (фиг.13-15) дает более простое выражение

где .

В неоднородной короткой линии электропередачи 14 задается сопротивление в неповрежденном состоянии относительно начала линии. На фиг.16 линия показана в активном режиме с уже определенными комплексами тока и напряжения и . Взаимосвязь между ними сохраняет форму выражения (3)

Активный режим двухпроводной модели произвольного объекта, токи и напряжения которого заданы в комплексной форме (фиг.17), инвариантен относительно структуры объекта, так как в модели действует единственный неизвестный источник , создающий в неизвестном месте x_f неизвестное напряжение . Между напряжением единственного источника линейной модели и известными величинами , существует прямая пропорциональность

Взаимная проводимость и передаточная функция являются характеристиками модели, определяемыми заранее. Место замыкания определяется из соотношения

Активный режим однородной модели с распределенными параметрами (фиг.18) характеризуется конкретными функциями в соотношениях (4), (5)

где и - характеристическое сопротивление и коэффициент распространения двухпроводной модели прямой последовательности, , - первичные параметры, , и - безнулевые величины прямой последовательности на зашунтированном и, соответственно, разомкнутом выходах модели.

Однородная модель с распределенными параметрами, предназначенная для преобразования мгновенных значений тока и напряжения (фиг.19), может быть применена для локации как в высоковольтных, так и в распределительных сетях. Напряжение u_f выражается через ток i_s3 посредством разностного уравнения [7]

где

a_s=R_в+R⁰x_f/2, b_s=R_в-R⁰x_f/2,

- волновое сопротивление прямой или нулевой последовательности, - время пробега волны прямой или нулевой последовательности вдоль отрезка модели протяженностью x_f. Информация о замыкании поступает в начало линии в момент t_s, причем для моделей прямой и нулевой последовательностей это разные времена: t_s1<t_s0.

Через напряжение u_s3 на второй стороне линии то же напряжение u_f выражается иным соотношением

где a_r=R_в+R⁰(l-x_f)/₂, b_r=R_в-R⁰(l-x_f)/2, - время пробега волны вдоль второго отрезка модели протяженностью l-x_f. Удельные параметры R⁰, L⁰, C⁰ в выражениях (6), (7) могут быть как прямой, так и нулевой последовательности в зависимости от типа двухпроводной модели.

В конец линии информация о замыкании поступает в момент t_r, отличный от t_s. О безнулевых составляющих - в момент t_r1, а о нулевой последовательности - в момент t_r0>t_r1. Соотношение (6) левой части линии рассматривается в дискретные моменты времени t_s+kΔt, а соотношение (7) - в моменты t_r+kΔt, где Δt - интервал дискретизации наблюдаемых величин, k - номер интервала. Координата места замыкания x_f определяется условием наименьшей невязки преобразования (6) и (7)

где k_кон - номер последнего интервала.

Как видим, при двухстороннем наблюдении линии электропередачи в ее двухпроводной модели прямой или нулевой последовательности существует возможность создать активный режим с разным состоянием входов, в котором место повреждения определяется особенно просто. Универсальность способа заключается в том, что он применим как для сетей с глухозаземленной нейтралью, так и для определения места замыкания в распределительной сети.

Источники информации

1. Патент РФ №2033622, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.

2. Патент РФ №2033623, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.

3. Заявка РФ №2011147688/28 (071514), решение о выдаче патента от 23 апреля 2013 г.

4. Заявка РФ №2012130712/07 (048210), решение о выдаче патента от 25 апреля 2013 г.

5. Авторское свидетельство СССР №1817153, H01H 83/22, 1991.

6. Патент РФ №2035815, H02H 3/38, Н02Н 7/26, H01H 83/22, 1992.

7. Караев Р.И., Лямец Ю.Я. О применении разностных уравнений длинной линии. - Электричество, 1972, №11, С.28-36.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - повышение эффективности и простоты способа. Согласно способу фиксируют фазные напряжения и токи на обеих сторонах линии, выделяют их аварийные составляющие, разделяют напряжения и токи на составляющие нулевой последовательности и безнулевые составляющие - разности фазных напряжений (токов) и их составляющих нулевой последовательности. Составляют двухпроводные модели линии электропередачи прямой последовательности и нулевой последовательности, которые используют в двух режимах - пассивном и активном. В пассивном режиме на входе первой стороны модели подают первые напряжения, равные соответствующим указанным напряжениям прямой или нулевой последовательности, а на вход второй стороны модели подают первые токи, равные соответствующим указанным токам прямой или нулевой последовательности, а в активном режиме вход первой стороны модели шунтируют, а вход второй стороны - размыкают. Определяют реакцию пассивной модели в виде второго тока на входе первой стороны модели и второго напряжения на входе второй стороны модели, определяют третий ток как разность первого и второго тока на первом входе модели и третье напряжение как разность первого и второго напряжения на втором входе модели, находят соотношение между третьим напряжением и третьим током, по которому определяют место замыкания линии электропередачи. 5 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Способ определения места замыкания линии электропередачи при двухстороннем наблюдении с использованием ее модели, согласно которому фиксируют фазные напряжения и токи на обеих сторонах линии, выделяют их аварийные составляющие, разделяют напряжения и токи на составляющие нулевой последовательности и безнулевые составляющие - разности фазных напряжений (токов) и их составляющих нулевой последовательности, составляют двухпроводные модели линии электропередачи прямой последовательности и нулевой последовательности, отличающийся тем, что соответствующие двухпроводные модели используют в двух режимах - пассивном и активном, в пассивном режиме на входе первой стороны модели подают первые напряжения, равные соответствующим указанным напряжениям прямой или нулевой последовательности, а на вход второй стороны модели подают первые токи, равные соответствующим указанным токам прямой или нулевой последовательности, а в активном режиме вход первой стороны модели шунтируют, а вход второй стороны - размыкают, определяют реакцию пассивной модели в виде второго тока на входе первой стороны модели и второго напряжения на входе второй стороны модели, определяют третий ток как разность первого и второго тока на первом входе модели и третье напряжение как разность первого и второго напряжения на втором входе модели, находят соотношение между третьим напряжением и третьим током, по которому определяют место замыкания линии электропередачи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в однородной короткой линии электропередачи координату места замыкания определяют из двухпроводной модели прямой последовательности по формуле

где s и r - индексы первой и второй сторон линии, u₃ и i₃ - третье напряжение или третий ток в двухпроводной модели - безнулевые составляющие в модели прямой последовательности или нулевые составляющие в модели нулевой последовательности, и - удельные сопротивление и индуктивность прямой последовательности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в неоднородной короткой линии электропередачи координату места замыкания определяют в двухпроводной модели прямой последовательности из соотношения

где - зависимость от расстояния до начала линии ее суммарного комплексного сопротивления прямой последовательности.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что координату места замыкания определяют в двухпроводной модели прямой последовательности из соотношения

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что координату места замыкания в однородной линии электропередачи произвольной протяженности определяют в двухпроводной модели прямой последовательности из соотношения

где - коэффициент распространения двухпроводной модели линии электропередачи прямой последовательности, - характеристическое сопротивление соответствующей модели, , - ее первичные параметры, - удельная емкость прямой последовательности, и - разностные (третьи) безнулевые ток на первом зашунтированном входе модели и напряжение на втором разомкнутом входе.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что координату места замыкания в однородной линии электропередачи определяют в двухпроводной модели прямой или нулевой последовательности из условия минимума невязки уравнений, левая и правая части которых берутся в различные моменты времени: левая часть - в моменты t_0s+kΔt, а правая часть - в моменты t_0r+kΔt:

где
a_s=R_в+R⁰x_f/2, b_s=R_в-R⁰x_f/2,
a_r=R_в+R₀(l-x_f)/2, b_r=R_в-R⁰(l-x_f)/2,
, , ,
R⁰, L⁰, C⁰ - удельные параметры прямой или нулевой последовательности, R_в - волновое сопротивление соответствующей последовательности, t_0s и t_0r - моменты смены режима прямой или нулевой последовательности соответственно в начале или в конце линии, Δt - интервал дискретизации, k - номер интервала.