Способ определения места повреждения разветвленной линии электропередачи с несколькими источниками питания Российский патент 2020 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для определения мест повреждения (ОМП) в сетях электропередачи. Способ предназначен для ОМП линий электропередачи с многосторонним питанием по результатам измерения ее напряжений и токов по концам линии.

Известен способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели [Патент РФ №2584268 «Способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели», МПК G01R31/08, опубл. 20.05.2016 Бюл. № 14], согласно которому измеряют аварийные токи и напряжения, выполняют итерационные операции с моделью линии электропередачи и вводят корректировки в дистанционную защиту и определитель места повреждения линии электропередачи. Согласно предложения предварительно проводят имитации повреждений в различных точках линии электропередачи, определяют токи и напряжения по меньшей мере на одном конце линии электропередачи, реализуют процедуру определения места повреждения по токам и напряжениям, полученным в результате имитации повреждения, вычисляют разность расстояний между имитируемым местом повреждения и определенным по значениям токов и напряжений по модели, и реализуют адаптацию дистанционной защиты и определителя места повреждения путем корректировки расстояний, определенных в дистанционной защите и определителе места повреждения, на разность расстояний, сформированную в результате имитационного моделирования.

Известный способ хотя и использует уточнение (корректировку) результатов ОМП с учетом имитационного моделирования повреждений на ЛЭП, но не предназначен для линий с многосторонним питанием.

Известен способ ОМП [Патент РФ № 2368912 Способ определения мест повреждения линий электропередач распределительных сетей, МПК G01R 31/11, опубл. 27.09.2009, Бюл. № 27], по которому в исследуемую линию генерируют зондирующие импульсы, принимают отраженные сигналы и место повреждения точно и однозначно определяют по отсутствию отраженного импульса с информационным признаком, индивидуализирующим, по меньшей мере, конкретное ответвление, в котором, согласно предложению, в качестве зондирующих импульсов используют дискретно-кодированные сигналы, а в качестве информационного признака, индивидуализирующего конкретное ответвление или фазу ответвления, используют согласованную фильтрацию дискретно-кодированного сигнала на концах линии.

Недостатком способа является необходимость установки дополнительного оборудования (фильтров) по концам разветвленной линии, что приводит к удорожанию устройства ОМП, а также требует специальных эксплуатационных расходов для обслуживания дополнительного оборудования.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ определения места повреждения линии электропередачи [Патент РФ № 2464582 Способ определения места повреждения разветвленной линии электропередачи с несколькими источниками питания, МПК G01R 31/08, опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19] путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного и доаварийного режимов, выделения 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. Согласно способа токи и напряжения, наблюдаемые в конце ветвей схемы линии с многосторонним питанием, используя модели ветвей линии, пересчитываются к их предполагаемым значениям в узле схемы, по результатам расчетов выбирается поврежденная ветвь, и относительно нее остальная часть схемы эквивалентируется, далее место повреждения определяется по модели получившейся линии.

Недостатком способа является низкая точность ОМП линии электропередачи, поскольку не в полной мере используется информация, в том числе о токах и напряжениях, фиксируемых при автоматических и неавтоматических повторных включениях линии, а также о паспортных параметрах ее участков.

Задачей изобретения является повышение точности ОМП на линии электропередачи с многосторонним питанием за счет уточнения удельных параметров поврежденной ветви с привлечением необходимой информации, касающейся паспортных параметров участков линии электропередачи, а также токов и напряжений, зафиксированных при автоматических и неавтоматических повторных включениях.

Поставленная задача достигается способом определения места повреждения линии электропередачи путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного и доаварийного режимов, выделения аварийных составляющих измеренных напряжений и токов, преобразования измеренных величин и их аварийных составляющих с использованием моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, токи и напряжения, наблюдаемые в конце ветвей схемы линии с многосторонним питанием, используя модели ветвей линии, пересчитываются к их предполагаемым значениям в узле схемы, по результатам расчетов выбирается поврежденная ветвь, и относительно нее остальная часть схемы эквивалентируется, далее место повреждения определяется по модели получившейся линии. Согласно способа реализуют эквивалентирование схемы линии электропередачи, относительно ее поврежденной ветви, различными вариантами, фиксируют токи и напряжения, а также выделяют их аварийные составляющие не только для момента повреждения, но и для моментов последующих неуспешных автоматических и неавтоматических повторных включений, определяют расстояния до места повреждения по модели получившейся линии для каждого варианта эквивалентирования и повторного включения, уточняют удельные параметры поврежденной ветви с учетом паспортных данных линии электропередачи и совокупности полученных расстояний до места повреждения, определяют место повреждения по модели получившейся линии и уточненным удельным параметрам поврежденной ветви.

На фиг. 1 в качестве примера представлена линия электропередачи, подключенная к трем источникам, на которой повреждение произошло в точке N, а точка Р указывает место соединения трех ее ветвей. Фиг. 1 иллюстрирует применение метода наложения и характеризует расчетные схемы: а – нормального режима; б – режима короткого замыкания; в – чисто аварийного режима.

На фиг. 1 введены следующие обозначения: E_s1, E_s2, E_s1 и Z_s1, Z_s2, Z_s3 – соответственно ЭДС и собственные сопротивления ЭДС источников по концам ветвей ЛЭП; z_уд1 – удельное сопротивление поврежденной ветви ЛЭП; Z₂ и Z₃ – сопротивления неповрежденных ветвей ЛЭП; U_н1, I_н1, U_н2, I_н2, U_н3, I_н3, U₁, I₁, U₂, I₂, U₃, I₃, U_ав1, I_ав1, U_ав2, I_ав2, U_ав3, I_ав3 – напряжения и токи в ветвях ЛЭП соответственно для нормального режима, режима короткого замыкания и чисто аварийного режима; l – расстояние до места повреждения; R_п – сопротивление повреждения; I_п и I_пн – ток через сопротивление повреждение в режиме короткого замыкания и нормальном режиме; L₁, L₂, L₃ – длины ветвей ЛЭП.

Способ определения места повреждения разветвленной линии электропередачи с несколькими источниками питания реализуется следующим образом.

Совокупность элементов электрической сети в общем случае можно представить в виде графа [например, Папков, Б.В. Теория систем и системный анализ для электроэнергетиков: учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры / Б.В. Папков, А.Л. Куликов. —2е изд., испр. и доп. — М.:Юрайт, 2016. — 470 с. — Серия: бакалавр и магистр. Академический курс.]. При таком представлении реализация ОМП ЛЭП сводится к оценке пути на графе от начального места расчета до места предполагаемого повреждения. Для разветвленной ЛЭП с несколькими источниками питания характерны следующие особенности, влияющие на точность ОМП:

- имеется несколько источников питания, имеющих разные фазовые углы и амплитуды;

- вероятны КЗ с ненулевым переходным сопротивлением в месте повреждения;

- удельные сопротивления ЛЭП неодинаковы и подвержены изменениям.

В таких условиях целесообразно применение метода наложения [например, Федосеев, А.М. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов / А.М. Федосеев, М.А. Федосеев — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 528с.: ил.], позволяющего упростить расчеты и учет отдельных влияющих факторов на точность ОМП ЛЭП. Основная идея в применении метода наложения состоит в том, чтобы уравнять количество ветвей на ЛЭП до повреждения и после. Суть метода на примере однофазной электрической сети поясняет фиг.1:

• рассчитывается доаварийный режим. В место предполагаемого КЗ включается фиктивная ветвь с ЭДС, равной доаварийному напряжению U_доавп в заданной точке. Как известно, если между точками сети, имеющими разность потенциалов U_доавп, включить источник ЭДС, равный U_доавп по величине и направлению, то токораспределение в сети не изменится (фиг. 1.a);

• рассчитывается послеаварийный режим. В ней ветвь КЗ представляет собой закоротку (фиг. 1.б);

• из уравнений по законам Кирхгофа для послеаварийной сети вычитаются почленно уравнения доаварийной сети. Это приводит к появлению так называемой чисто аварийной

схемы, изображенной на фиг. 1.в.

Чисто аварийная схема содержит только одну ЭДС, расположенную в месте КЗ. Величина ее равна доаварийному напряжению в этой точке, взятому со знаком «минус». Такой подход справедлив, если принять [например, Ульянов, С.А. Электромагнитные переходные процессы / С.А. Ульянов. — М.: Энергия, 1970], что ЭДС генераторов до и после КЗ одинаковы.

Влияние переходного сопротивления на расчет расстояния до места повреждения ЛЭП можно охарактеризовать следующими положениями:

• переходное сопротивление уменьшает модуль чисто аварийного напряжения U_авN в месте повреждения (принцип делителя напряжения);

• пропорционально уменьшению напряжения U_авN снижаются токи и напряжения в ветвях ЛЭП.

Таким образом, при определении расстояния до места повреждения разветвленной ЛЭП целесообразно использовать чисто аварийную схему. Она имеет всего один источник ЭДС, и содержит в неискаженном виде всю необходимую информацию для реализации ОМП. В сочетании с измерением напряжений и токов основной гармоники, доаварийного режима, режима КЗ, выделением аварийные составляющие измеренных напряжений и токов со всех концов ЛЭП, процедурой определения поврежденной ветви ЛЭП, применение метода наложения обеспечит высокую точность ОМП.

В частности, с применением чисто аварийной схемы (фиг.1.в) расчет расстояния l от шин (с сопротивлением Z_s1) до места повреждения может быть выполнен, например, с применением следующих выражений:

l×z_уд1 = (U_ав1 – U_авN)/I_ав1;

l = (U_ав1 – U_авN)/(I_ав1×z_уд1).

В приведенных формулах неизвестной величиной является только U_авN. Расчет этого напряжения (как и сопротивления повреждения R_п) может быть выполнен путем реализации операций способа-прототипа, при определении поврежденной ветви, эквивалентировании и реализации двухстороннего ОМП для эквивалентированной линии (поврежденной ветви) с эквивалентированными источниками.

Следует отметить, что эквивалентирование для разветвленной ЛЭП в режиме КЗ можно выполнить различными способами. Например, для схемы (фиг.1.б) формирование эквивалентного источника в точке Р можно реализовать при различном сочетании токов и напряжений (U₂, I₂, U₃, I₃) при использовании разных ветвей ЛЭП. Отсюда и расстояние l до места повреждения при разных вариантах эквивалентирования может иметь различные значения. Дополнительно различные расстояния до места повреждения могут быть получены при автоматическом и неавтоматическом (ручном) повторном включении ЛЭП после повреждения, поскольку в ходе повторного включения регистрируются иные значения токов и напряжений. В результате имеем массив (вектор) значений l для каждого из вариантов реализации ОМП.

Еще раз подчеркнем, что на первом этапе реализации способа производится определение поврежденного участка (ветви) линии электропередачи. При этом выполняется последовательность операций, аналогичная способу-прототипу:

- измеряют напряжения и токи основных гармоник, аварийного и доаварийного режимов;

- выделяют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов со всех концов линии, имеющих источники питания;

- с помощью моделей линии, оценивают напряжения в местах состыковки отдельных участков (узлов);

- по небалансу оценок напряжений в узле определяют узлы, к которым подходят только неповрежденные участки;

- эквивалентируют эти узлы, исключая их из схемы, в результате определяют поврежденный участок сети;

- формируют модель ЛЭП относительно поврежденной ветви с эквивалентированными источниками.

В последующем реализуют множественное ОМП эквивалентированной ЛЭП при различных вариантах эквивалентирования и повторного включения и получают массив значений расстояний {l_i} до места повреждения. Используя каждое из значений l_i, реализуют уточнение удельных параметров поврежденной ветви ЛЭП с применением паспортных данных разветвленной линии. Для ЛЭП (фиг.1), например, расчетные выражения приобретают вид:

(L₁ - l_i)×z^'_уд1 = Z_1i - (U_ав1i – U_авNi)/I_ав1i;

(L₁ - l_i)×z^'_уд1 = (Z_1i + Z_2i) - (U_ав1i – U_авNi)/I_ав1i – L₂×z_уд2;

(L₁ - l_i)×z^'_уд1 = (Z_1i + Z_3i) - (U_ав1i – U_авNi)/I_ав1i – L₃×z_уд3;

где Z_1i, Z_2i, Z_3i, – расчетные комплексные сопротивления ветвей ЛЭП, полученные на основе измерений токов и напряжений, а z^'_уд1 – уточненные удельные параметры поврежденной ветви; z_уд2 и z_уд3 – удельные паспортные параметры неповрежденных ветвей ЛЭП.

Преобразуем приведенные выше выражения для всех i в матричную форму в виде

ǁ l ǁ×z^'_уд1 = ǁ Z ǁ.

Применение метода наименьших квадратов в условиях измерений токов и напряжений с ошибками, изменения параметров ЛЭП в процессе эксплуатации, неточных паспортных данных ветвей линии, обеспечивает получение уточненных удельных параметров поврежденной ветви ЛЭП

z ^' _уд1 = (ǁ l ǁ^Т×ǁ l ǁ)^-1×ǁ l ǁ^Т ×ǁ Z ǁ.

В последующем для эквивалентированной схемы поврежденной ветви ЛЭП реализуется ОМП по одному из способов.

В заключении отметим, что за счет уточнения удельных параметров поврежденной ветви с привлечением необходимой информации, касающейся паспортных параметров участков линии электропередачи, а также токов и напряжений, зафиксированных при автоматических и неавтоматических повторных включениях, достигается цель изобретения - повышение точности ОМП на линии электропередачи с многосторонним питанием.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для определения мест повреждения линий электропередачи с многосторонним питанием по результатам измерения ее напряжений и токов по концам линии. Сущность изобретения: способ определения места повреждения линии электропередачи путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного и доаварийного режимов, выделения аварийных составляющих измеренных напряжений и токов, преобразования измеренных величин и их аварийных составляющих с использованием моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, токи и напряжения, наблюдаемые в конце ветвей схемы линии с многосторонним питанием, используя модели ветвей линии, пересчитываются к их предполагаемым значениям в узле схемы, по результатам расчетов выбирается поврежденная ветвь, и относительно нее остальная часть схемы эквивалентируется, далее место повреждения определяется по модели получившейся линии. Согласно предложению реализуют эквивалентирование схемы линии электропередачи, относительно ее поврежденной ветви, различными вариантами, фиксируют токи и напряжения, а также выделяют их аварийные составляющие не только для момента повреждения, но и для моментов последующих неуспешных автоматических и неавтоматических повторных включений, определяют расстояния до места повреждения по модели получившейся линии для каждого варианта эквивалентирования и повторного включения, уточняют удельные параметры поврежденной ветви с учетом паспортных данных линии электропередачи и совокупности полученных расстояний до места повреждения, определяют место повреждения по модели получившейся линии и уточненным удельным параметрам поврежденной ветви. Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает повышение точности ОМП на линии электропередачи с многосторонним питанием за счет уточнения удельных параметров поврежденной ветви. 1 ил.

Способ определения места повреждения линии электропередачи путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного и доаварийного режимов, выделения аварийных составляющих измеренных напряжений и токов, преобразования измеренных величин и их аварийных составляющих с использованием моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, токи и напряжения, наблюдаемые в конце ветвей схемы линии с многосторонним питанием, используя модели ветвей линии, пересчитываются к их предполагаемым значениям в узле схемы, по результатам расчетов выбирается поврежденная ветвь, и относительно нее остальная часть схемы эквивалентируется, далее место повреждения определяется по модели получившейся линии, отличающийся тем, что реализуют эквивалентирование схемы линии электропередачи, относительно ее поврежденной ветви, различными вариантами, фиксируют токи и напряжения, а также выделяют их аварийные составляющие не только для момента повреждения, но и для моментов последующих неуспешных автоматических и неавтоматических повторных включений, определяют расстояния до места повреждения по модели получившейся линии для каждого варианта эквивалентирования и повторного включения, уточняют удельные параметры поврежденной ветви с учетом паспортных данных линии электропередачи и совокупности полученных расстояний до места повреждения, определяют место повреждения по модели получившейся линии и уточненным удельным параметрам поврежденной ветви.