СПОСОБ ИНТЕРВАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2020 года по МПК H02H3/40 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите и автоматике линий электропередачи. В задаче определения места повреждения не требуется настолько быстрое принятие решения о местоположении короткого замыкания как в задаче релейной защиты, что позволяет реализовывать алгоритмы, требующие больше вычислительных ресурсов.

Известна группа способов определения места повреждения (ОМП) линии электропередачи (ЛЭП) с использованием ее модели [1-7]. Основными техническими признаками, характеризующими данные решения, являются: фиксация отсчетов токов и напряжений, наблюдаемых на одной стороне линии в двух сменяющих друг друга режимах - предшествующем повреждению и текущем аварийном режиме, преобразование отсчетов в комплексные сигналы (комплексы), применение моделей линии электропередачи для перерасчета токов и напряжений в место предполагаемого повреждения.

Первым и наиболее очевидным недостатком этих способов является недостаточная функциональность, поскольку для преобразований, осуществляемых применяемыми моделями линий, необходим весь набор измеряемых величин: три фазных тока и три фазных напряжения режима. Утрата, например, одного из фазных токов или напряжений вследствие насыщения или выхода из строя трансформатора тока (ТТ) или трансформатора напряжения (ТН) не позволит произвести перерасчет токов и напряжений в место предполагаемого повреждения.

Вторым недостатком способов является то, что каждый из них выдает только одну координату места повреждения. Не принимается во внимание столь важный факт, что может существовать целое множество режимов с различными координатами места повреждения, в которых наблюдаются одинаковые комплексные значения измеряемых параметров (токов и напряжений), по которым расчет координаты приведет к одному и тому же значению. Данное положение иллюстрируется следующим примером: рассматривается воздушная ЛЭП (ВЛЭП) длиной км с двусторонним питанием (фиг. 1), не имеющая ответвительных подстанций. Погонное сопротивление по прямой последовательности (ПП) . Величина номинального фазного напряжения В. Для наглядности рассматриваются только трехфазные короткие замыкания (КЗ), однако выдвигаемые положения распространяются на любой вид повреждения. Предполагается, что параметры электропередачи в различных режимах могут иметь любое значение из своего диапазона. Перечень, описание и диапазоны вариации параметров электропередачи приведены в табл. 1.

Таблица 1
Диапазоны возможных значений параметров электропередачи в режиме трехфазного КЗ Описание параметра Обозначение, размерность Минимальное значение Максимальное значение Модуль сопротивления системы «за спиной» по прямой последовательности , Ом 0,1 100 Угол сопротивления системы «за спиной» по прямой последовательности , ° 60 90 Модуль сопротивления удаленный системы по прямой последовательности , Ом 0,1 100 Угол сопротивления удаленной системы по прямой последовательности , ° 60 90 Расстояние до места повреждения , км 0 100 Переходное сопротивление в месте повреждения , Ом 0 100 Угол передачи , ° -60 60 Отношение фазной ЭДС системы «за спиной» к номинальному фазному напряжению , о.е. 0.8 1.2 Отношение фазной ЭДС удаленной системы к номинальному фазному напряжению , о.е. 0.8 1.2

Если рассмотреть произвольный режим трехфазного КЗ с параметрами электропередачи, представленными в таблице 2 (столбец 2), то оказывается, что существует еще два режима трехфазного КЗ с другими значениями координаты места повреждения (таблица 2, столбцы 3,4), имеющие очень близкие по величине комплексные значения измеряемых параметров тока и напряжения. Значения измеряемых параметров исходного режима №1 и найденных режимов №2 и №3 приведены в таблице 3.

Таблица 2
Значение объектных параметров исходного режима трехфазных КЗ Обозначение, размерность Исходный моделируемый режим (Режим №1) Обнаруженный режим (Режим №2) Обнаруженный режим (Режим №3) 1 2 3 4 , Ом 20.0 19.996084000003 20.000080000003 , ° 60.0 60.0006 60 , Ом 1.0 15.3107740000021 19.544536000003 , ° 90.0 60.013799999762 90 , км 50.0 45.5040004994405 51.7800004303948 , Ом 5.0 7.42692573999969 6.90093099999971 , ° -30.0 -34.1015999999837 -37.9055999999861 , о.е. 0.9 0.8999360000001 0.9000000000001 , о.е. 1.1 1.2 1.15831200000036

Таблица 3
Значения измеряемых параметров тока и напряжения в режимах №1,2,3 Описание параметра Обозначение, размерность Исходный моделируемый режим (Режим №1) Обнаруженный режим (Режим №2) Обнаруженный режим (Режим №3) Напряжение ПП в текущем режиме КЗ (базовый вектор) Ток ПП в текущем режиме КЗ Напряжение в предшествующем нагрузочном режиме Ток в предшествующем нагрузочном режиме

Из таблицы 3 видно, что комплексные значения измеряемых параметров тока и напряжения для всех трех режимов практически совпадают и их разности значительно меньше уровня погрешностей измерения первичных преобразователей тока и напряжения. Следует отметить, что существует множество аналогичных режимов с таким же набором измеряемых параметров (токов и напряжений), в которых координата места повреждения находится между значениями 45.504 и 51.780 км. Это означает, что в каждом из этих режимов любой из алгоритмов [1-7] выдаст только одно значение места повреждения, несмотря на то, что заданному набору измеряемых токов и напряжений соответствует множество режимов и широкий интервал значений координаты возможных мест повреждений.

Известен способ определения места повреждения многопроводной электрической сети при двухстороннем наблюдении [8]. Отличительная черта этого способа - определение места реального повреждения по набору критериев, основным из которых является критерий резистивности: реактивная мощность повреждения равна нулю, активная - неотрицательна. Аналогично способам [1-7], очевидным недостатком способа [8] является то, что для функционирования способа необходимы все измерения по концам ЛЭП: токи и напряжения. Отсутствие одного из параметров режима вследствие выхода из строя ТТ или ТН не позволит произвести расчет критериев повреждения.

Безусловно, привлечение дополнительной информации с удаленного конца ВЛЭП приводит к большей точности поиска места повреждения по сравнению с алгоритмами локаторов без каналов связи. Однако алгоритм [8] так же выдает только одно значение расстояния до места повреждения и его точность зависит от тяжести КЗ: в режимах металлического КЗ точность выше, чем в режимах КЗ через переходное сопротивление. Отсюда второй недостаток способа [8] - отсутствие расчета интервала расстояния возможных мест повреждения в зависимости от тяжести КЗ.

Наличие такой зависимости иллюстрируется следующим примером. Для объекта по фиг. 1, имеющего диапазоны вариации объектных параметров, представленные в табл. 1, моделируется два режима КЗ: металлическое и с переходным сопротивлением . Для каждого из этих исходных режимов возможно подобрать свой интервал значений координаты места повреждений, в пределах которого будет находиться множество режимов со значениями измеряемых параметров, близкими к измеряемым параметрам исходных режимов. Степень близости вектора измеряемых параметров исходного режима и вектора параметров моделируемого режима удобно оценивать величиной суммарной погрешности (1):

, (1)

где - элемент вектора параметров моделируемого режима ;

- элемент вектора параметров исходного режима , измеряемых на защищаемом объекте;

n - число элементов вектора параметров режима (в данном примере n = 4).

Объектные параметры первого исходного режима - режима металлического КЗ приведены в табл. 4 (столбец 2). Близкими будем считать режимы, для которых . Объектные параметры обнаруженных режимов приведены в табл. 4 (столбцы 3, 4). В табл. 5 приведены значения измеряемых параметров режимов из табл. 4 и значение суммарной погрешности .

Таблица 4
Объектные параметры первого исходного режима - режима металлического КЗ и найденных режимов с близкими векторами параметров режима Обозначение, размерность Истинный режим КЗ (Режим №1) Моделируемый режим (Режим №2) Моделируемый режим (Режим №3) 1 2 3 4 , Ом 11.0 21.7383400000003 21.8182600000003 , ° 85.0 89.994 60 , Ом 11.0 14.0660200000002 14.0660200000002 , ° 85.0 60 90 , км 50.0 49.4200001160016 50.5599998880017 , Ом 1e-6 0.0609998000000034 0.0609998 , ° -30.0 -60 60 , о.е. 0.9 1.19976 1.2 , о.е. 1.1 1.19992 1.19976

Таблица 5
Значения измеряемых параметров в режимах №1, 2, 3 по таблице 4 Описание параметра Обозначение, размерность Исходный моделируемый режим (Режим №1) Обнаруженный режим (Режим №2) Обнаруженный режим (Режим №3) Напряжение ПП в текущем режиме КЗ (базовый вектор) локального полукомплекта Ток ПП в текущем режиме КЗ локального полукомплекта Напряжение ПП в текущем режиме КЗ (базовый вектор) удаленного полукомплекта Ток ПП в текущем режиме КЗ удаленного полукомплекта Суммарная погрешность по (1) 1.99721427069509 1.9942426901255

Из таблицы 5 видно, что для двух обнаруженных режимов значение суммарной погрешности не превышает заявленного значения 2%. Это означает, что если погрешности измерения величин токов и напряжений с защищаемого объекта и погрешности задания параметров его модели таковы, что суммарная погрешность между векторами истинного режима КЗ и моделируемого достигает 2%, то в качестве искомого режима справедливо может быть принят любой из таких моделируемых режимов. Иными словами, в данном примере координата искомого места КЗ может лежать между значениями 49.4200 и 50.5599 км, что составляет 1.1399% от длины ЛЭП. Очевидно, что если задаться большим значением , то интервал возможной координаты места повреждения будет шире.

Легко показать, что для режима КЗ с найдется значительно больше режимов КЗ, которые можно принять за истинный режим КЗ - режимов в которых . В таблице 6 приведены объектные параметры истинного режима (столбец 2) и двух найденных режимов, которые могут быть приняты за истинный режим КЗ, поскольку для них . В таблице 7 приведены соответствующие значения измеряемых параметров: токов и напряжений.

Таблица 6
Объектные параметры первого исходного режима - режима металлического КЗ и найденных режимов с близкими векторами параметров режима Обозначение, размерность Истинный режим КЗ (Режим №1) Моделируемый режим (Режим №2) Моделируемый режим (Режим №3) 1 2 3 4 , Ом 11.0 70.5494799999943 73.7262999999949 , ° 85.0 72.6120000000005 73.2420000000005 , Ом 11.0 7.53256000000005 7.57252000000005 , ° 85.0 82.0739999999997 82.4759999999997 , км 50.0 47.1000005800012 52.859999428002 , Ом 100 100.1406662 99.9606667999999 , ° -30.0 -44.0879999999994 -44.1119999999994 , о.е. 0.9 0.860559999999977 0.863999999999975 , о.е. 1.1 1.08840000000001 1.07744

Таблица 7
Значения измеряемых параметров в режимах №1,2,3 по таблице 6 Описание параметра Обозначение, размерность Исходный моделируемый режим (Режим №1) Обнаруженный режим (Режим №2) Обнаруженный режим (Режим №3) Напряжение ПП в текущем режиме КЗ (базовый вектор) локального полукомплекта Ток ПП в текущем режиме КЗ локального полукомплекта Напряжение ПП в текущем режиме КЗ (базовый вектор) удаленного полукомплекта Ток ПП в текущем режиме КЗ удаленного полукомплекта Суммарная погрешность по (1) 1.99979841016739 1.99975034652252

Из таблицы 6 видно, что интервал возможных значений координаты места КЗ значительно шире для КЗ и находится в пределах от 47.100 до 52.8599 км, что составляет 5.75999 % от длины линии. Следует отметить, что принятое значение достаточно мало и для реального объекта оно значительно больше.

Таким образом, для алгоритма ОМП с двусторонним наблюдением по [8] присущ такой же недостаток, как и для алгоритмов [1-7] - не производится поиск всех возможных режимов, в которых вектор параметров тока/напряжения близок к вектору токов/напряжений, измеряемому на защищаемом объекте.

Наиболее близким способом является способ интервального определения места повреждения [9]. Основными техническими признаками способа являются: фиксация отсчетов токов и напряжений, наблюдаемых в линии в текущем и предшествующем режимах, преобразование отсчетов в комплексы токов и напряжений текущего и предшествующего режимов, использование передающей модели для преобразования комплексов наблюдаемых токов и напряжений предшествующего и текущего режимов в комплексы напряжений и токов соответствующих режимов в месте предполагаемого повреждения, преобразование комплексов напряжения и тока предшествующего и текущего режимов этого места в комплекс основного и дополнительного замеров, использование имитационной модели линии электропередачи для обучения передающей модели интервальному определению места повреждения путем воспроизведения в имитационной модели режимов повреждения линии и определения в этих режимах области отображения комплексов основного и дополнительного замеров на соответствующих плоскостях, определение для разных мест предполагаемого повреждения отображения комплексов основного и дополнительного замеров на соответствующих плоскостях, фиксация тех мест линии для которых отображения как основного замера, так и дополнительного попадают в соответствующие области, объединение указанных мест в интервал повреждения линии электропередачи.

Действительно, прототип обеспечивает расчет интервала места повреждения, гарантированно охватывающего место реального повреждения. Однако, как и для способов по [1-8], для способа по [9] необходимо наличие всех измеряемых параметров в текущем и предшествующем режимах для расчета основного и дополнительного замеров. При отсутствии одной из фазных величин тока/напряжения вследствие насыщения ТТ или выхода из строя ТТ,ТН расчет замеров будет невозможен.

Второй недостаток связан с тем, что нет никаких гарантий или критериев оценки того, действительно ли получаемый интервал является минимально возможным. Служба эксплуатации сетей нуждается в интервале, гарантирующем охват места повреждения, но такой интервал должен быть минимально возможным.

Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей способа определения места повреждения линии электропередачи при одновременном повышении точности. Технический результат - нахождение обоснованно минимально возможного интервала, охватывающего реальное место повреждения. Поставленные цели достигаются тем, что локатор не использует никаких замеров в их привычном понимании: ни замеров сопротивления, ни критериев резистивности, ни передающих моделей и т.д. Вместо этого вводится принципиально новый подход - считать искомым режимом повреждения каждый моделируемый имитационной моделью режим, для которого наблюдается такой же вектор измеряемых параметров (токов и/или напряжений с одного либо двух и более концов ЛЭП), какой наблюдается с защищаемого объекта. При этом в качестве имитационной модели может выступать модель любой сложности и наблюдения объекта могут вестись как с одной стороны, так и с многих сторон, могут быть синхронизированными, а могут быть и не синхронизированными. Более того, появляется возможность производить расчет места повреждения в том случае, когда отсутствуют одна или несколько измеряемых величин тока или напряжения вследствие выхода из строя ТТ или ТН. В этом случае проверяется равенство вектора величин токов и/или напряжений неполному вектору, доступному для измерения с объекта. В качестве критерия близости вектора измеряемых величин моделируемого режима к вектору измеряемых величин с объекта можно использовать любой критерий невязки, например величину суммарной погрешности по (1). Еще одна дополнительная функциональная возможность состоит в том, что возможно производить оценку не только расстояния до места повреждения, но и других параметров электропередачи и места повреждения: величину переходных сопротивлений в месте повреждения, угла передачи, сопротивления питающих систем и т.д.

На фиг. 1 представлена структурная схема линии электропередачи с двусторонним питанием в режиме трехфазного короткого замыкания. На фиг. 2 и 3 показано преобразование отсчетов наблюдаемых токов и напряжений в комплексные сигналы. На фиг. 4 показана структура локатора повреждения.

На фиг. 5, 6 представлены области отображения замеров и и соответствующие годографы прототипа согласно [9] для режима, объектные параметры которого представлены в табл. 8 для диапазонов вариации объектных параметров ЛЭП по фиг. 1, представленных в табл. 9. На фиг. 7 представлены результаты сравнения точности прототипа и предлагаемого способа. На фиг. 8 представлены результаты оценки величины переходного сопротивления в месте повреждения.

Линия электропередачи 1 соединяет питающие подстанции 2 и 3. В случае одностороннего наблюдения наблюдаются только вектор токов и/или вектор напряжений на стороне 4, в случае двустороннего наблюдения еще наблюдаются вектора , на стороне 5; i и u - векторы отсчетов электрических величин многопроводной системы, k - дискретное время, s и r - индексы подстанций 2 и 3, - координата места повреждения 6, l - длина линии. Предполагается, что в неизвестном месте 6 с координатой произошло замыкание. Требуется определить участок линии, гарантированно включающий в себя точку 6. Определяемый интервал при этом должен иметь минимально возможную длину. Следует отметить то, что в общем случае объект может быть с многосторонним питанием, а также то, что часть наблюдаемых векторов i и u может отсутствовать вследствие выхода из строя измерительных трансформаторов тока и/или напряжения.

Отсчеты наблюдаемых величин обрабатываются в фильтре ортогональных составляющих 7. Если на вход 8 фильтра поступает заданное число отсчетов , то на выходе 9 формируется комплексный сигнал . Если же на вход 10 поступает группа отсчетов , то на выходе появляется комплексный сигнал . В случае многостороннего наблюдения фильтры ортогональных составляющих выполняют преобразования для каждого из концов электропередачи.

На вход локатора повреждения приходит вектор 12 (обозначен как ) исходных измеряемых величин на защищаемом объекте.

Основным модулем локатора повреждений в предлагаемом способе является имитационная модель объекта 13, производящая расчет множества режимов повреждения защищаемого объекта и режимов, предшествующих повреждению, если на объекте измеряются составляющие предшествующего режима. Параметры имитационной модели 13 относятся к априорной информации об электропередаче. Имитационная модель объекта формирует вектора величин токов и/или напряжений (обозначен как ) и вектор объектных параметров моделируемых режимов, которым соответствуют эти токи и/или напряжения. Эти данные 14 передаются на исполнительный орган 16. Величина суммарной погрешности (либо другого критерия невязки) задается уставкой в блоке 15. Вектор 12, данные 14 и значение уставки подаются на исполнительный орган 16. На выходе исполнительного органа 16 формируется искомый вектор объектных параметров 17 (обозначен как ) только тех режимов повреждения, для которых выполняются условия близости вектора () и , например, по условию (1).

Процедура поиска места повреждения локатором начинается с получения вектора измеряемых параметров с объекта 12. Предварительно в имитационной модели для защищаемого объекта задана вся априорная информация и интересующее значение суммарной погрешности в блоке 15. После получения вектора измеряемых параметров 12 имитационная модель 13 незамедлительно производит моделирование различных режимов повреждения при различных параметрах электропередачи и для различных мест повреждения через различные переходные сопротивления. Для локатора серьезную роль играет быстродействие имитационной модели, поэтому реализация ее представляется целесообразной на быстродействующих вычислительных машинах, например на базе графических процессоров. Следует отметить, что возможности реализации быстродействующих моделей постоянно растут вместе с совершенствованием вычислительной техники.

Вектора измеряемых и объектных параметров всех смоделированных режимов передаются исполнительному органу 16, и среди них он отбирает те режимы, для которых выполняется условие (1) (либо любой другой критерий невязки). Множество значений координаты места повреждения (,) отобранных режимов составляет искомый интервал, гарантированно содержащий координату реального места КЗ. Аналогично можно производить оценку интервала, содержащего искомое значение любого другого объектного параметра, например, величины переходного сопротивления (,).

Работоспособность предлагаемого способа демонстрируется на наглядном примере. Для режима повреждения с объектными параметрами, представленными в табл. 8 для объекта по фиг. 1, но с диапазонами вариации объектных параметров, представленными в табл. 9 производится построение областей отображения замеров и и соответствующих годографов и , что показано на фиг. 5, 6. На фиг. 7 представлены результаты определения места повреждения по способу прототипа и по предлагаемому способу. Для наглядности интервал, определенный по способу прототипа, совмещен с характеристикой, получаемой предлагаемым способом. По оси ординат характеристики откладывается величина , рассчитываемая для вектора наблюдаемых величин , где - комплексные значения токов и напряжений для нагрузочного режима, предшествующего КЗ, по оси абсцисс - координата возможного места КЗ. Следует отметить, что прототип и предлагаемый способ обладают одинаковой информационной базой и находятся в равных условиях. Из фиг. 7 видно, что интервал, определяемый прототипом, составляет 37.181…55.708 км, что составляет 18.527% от длины линии. Поскольку в текущем примере измерения токов и напряжений производятся без погрешностей измерительных преобразователей, то для предлагаемого способа искомым можно считать интервал при или на характеристике. Этот интервал составляет 47.30…50.96 км или 3.66% от длины линии. Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить значительно меньший интервал значений координаты места повреждения, включающий истинную координату места КЗ и, следовательно, достичь большей точности. На фиг. 8 представлены результаты оценки величины переходного сопротивления в месте повреждения, из которых видно, что определяемый интервал охватывает истинное значение переходного сопротивления 5 Ом.

Источники информации

1. Патент РФ №2033622, МПК G01R 31/11, Н02Н 3/28, БИ 1995, №11.

2. Патент РФ №2066511, МПК Н02Н 3/40, G01R 31/08, БИ 1996, №25.

3. Патент РФ №2088012, МПК Н02Н 3/40, G01R 31/08, БИ 1997, №23.

4. Патент РФ №2085959, МПК G01R 31/11, БИ 1997, №21.

5. Патент РФ №2107304, МПК G01R 31/11, БИ 1998, №8.

6. Патент РФ №2116654, МПК G01R 31/08, БИ 1998, №21.

7. Патент РФ №2149489, МПК Н02Н 3/40, G01R 31/08, БИ 2000, №14.

8. Патент РФ №2492493, МПК G01R 31/08, БИ 2013, №25

9. Патент РФ №2639718, Н02Н 3/40, БИ 2017, №36.

Таблица 8
Объектные параметры режима для сравнения прототипа [9] и предлагаемого способа Обозначение, размерность Значение 1 2 , Ом 11.0 , ° 85.0 , Ом 11.0 , ° 85.0 , км 50.0 , Ом 5 , ° -30.0 , о.е. 0.9 , о.е. 1.1

Таблица 9
Диапазоны возможных значений параметров электропередачи в режиме трехфазного КЗ в примере сравнения способа прототипа [9] и заявляемого способа Обозначение, размерность Минимальное значение Максимальное значение , Ом 11,0 11,0 , ° 85,0 85,0 , Ом 1,0 100 , ° 60 90 , км 0 100 , Ом 0 100 , ° -30 30 , о.е. 0.9 1.1 , о.е. 0.9 1.1

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - расширение функциональных возможностей способа при одновременном повышении точности. Согласно способу интервального определения места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели фиксируют отсчеты токов и напряжений, преобразовывают отсчеты в комплексы токов и напряжений, используют имитационную модель линии электропередачи для воспроизведения режимов повреждения линии. При этом проводят имитации повреждений при различных параметрах электропередачи и в различных точках линии электропередачи, вычисляют погрешности между измеренными на объекте и определенными в результате имитации соответствующими токами и напряжениями, задают необходимое значение погрешности, выбирают в качестве оценки расстояния до места повреждения такие значения координаты имитируемого места повреждения, при которых вычисляемые значения погрешности меньше заданного значения. 8 ил., 9 табл.

Способ интервального определения места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели путем фиксации отсчетов токов и напряжений, преобразования отсчетов в комплексы токов и напряжений, использования имитационной модели линии электропередачи для воспроизведения режимов повреждения линии, отличающийся тем, что проводят имитации повреждений при различных параметрах электропередачи и в различных точках линии электропередачи, вычисляют погрешности между измеренными на объекте и определенными в результате имитации соответствующими токами и напряжениями, задают необходимое значение погрешности, выбирают в качестве оценки расстояния до места повреждения такие значения координаты имитируемого места повреждения, при которых вычисляемые значения погрешности меньше заданного значения.