Способ одностороннего определения места повреждения линии электропередачи Российский патент 2024 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно, к релейной защите и автоматике электрических сетей.

Известны способы определения места короткого замыкания по одностороннему замеру электрических величин (Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи. М.: Энергоатомиздат, 2003, с. 47 - 58), которые используют измерения напряжений и токов в аварийном режиме. В таких способах сначала определяют вид замыкания, а затем по специальным формулам, соответствующим виду замыкания, определяют расстояние до места повреждения.

Недостатком этих способов является невозможность их функционирования при повреждениях в измерительных цепях напряжения.

Известен способ определения места повреждения линии электропередачи с двусторонним питанием [Патент РФ № 2107304 «Способ определения места повреждения линии электропередачи с двусторонним питанием», МПК G01R 31/08, опубл. 20.03.1998], который использует измерения фазных напряжений и токов в аварийном и предаварийном режиме с одной стороны контролируемой линии электропередачи.

Сначала напряжения и токи предаварийного и чисто аварийного режимов преобразуют с использованием полномасштабных моделей линии электропередачи в фазные напряжения и токи замыкания в предполагаемом месте повреждения. А затем на их основе формируют целевую функцию в виде реактивного параметра и принимают за место повреждения точку, в которой целевая функция принимает нулевое значение.

Недостатком известного способа является невозможность его функционирования при повреждениях в измерительных цепях напряжения.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ одностороннего определения места повреждения линии электропередачи с использованием ее моделей [Патент РФ № 2790790 «Способ одностороннего определения места повреждения линии электропередачи с использованием её моделей», МПК G01R 31/08, опубл. 28.02.2023, Бюл. № 7], согласно которому измеряют фазные напряжения и токи аварийного и доаварийного режимов в начале контролируемой линии электропередачи, преобразуют измеренные напряжения и токи доаварийного режима на модели контролируемой линии электропередачи в фазные напряжения доаварийного режима в предполагаемом месте повреждения, определяют напряжения и токи чисто аварийного режима в месте измерения как разность соответствующих величин аварийного и доаварийного режимов, преобразуют напряжения и токи чисто аварийного режима в месте измерения в фазные напряжения чисто аварийного режима и токи замыкания в предполагаемом месте повреждения, формируют реактивный параметр предполагаемого места повреждения и принимают за место повреждения точку, в которой реактивный параметр принимает нулевое значение.

Согласно способа для прямой, обратной и нулевой последовательностей создают соответствующие двунаправленные модели однородных участков контролируемой линии электропередачи на основе двух одинаковых внутренних моделей, первая из которых преобразует входные напряжение и ток слева направо, а вторая - справа налево,

строят двунаправленные модели контролируемой линии электропередачи для каждой последовательности путем каскадного соединения упомянутых моделей однородных участков,

путем преобразования измеренных доаварийных электрических величин прямой последовательности каскадом первых внутренних моделей для соответствующей последовательности определяют одноименные доаварийные напряжение и ток на выходе первой внутренней модели каждого участка,

путем преобразования чисто аварийных электрических величин каждой последовательности в месте измерения каскадом первых внутренних моделей для соответствующей последовательности определяют одноименные чисто аварийные величины на выходе первой внутренней модели каждого участка,

путем преобразования единичного тока и создаваемого им напряжения на сопротивлении системы противоположного конца каждой последовательности каскадом вторых внутренних моделей для соответствующей последовательности определяют одноименные нормированные электрические величины на выходе второй внутренней модели каждого участка,

для однородного участка с предполагаемым местом повреждения для каждой последовательности создают модель поврежденного участка контролируемой линии электропередачи на основе двух упомянутых внутренних моделей, первая из которых преобразует входные величины с левой стороны к предполагаемому месту повреждения, а вторая - с правой,

определяют чисто аварийные напряжение и ток каждой последовательности слева от предполагаемого места повреждения путем преобразования первой внутренней моделью поврежденного участка для соответствующей последовательности чисто аварийных величин на входе соответствующей модели однородного участка с левой стороны,

определяют нормированные напряжение и ток каждой последовательности справа от предполагаемого места повреждения путем преобразования второй внутренней моделью поврежденного участка для соответствующей последовательности одноименных нормированных величин на входе соответствующей модели однородного участка с правой стороны,

определяют коэффициент приведения для тока с правой стороны от предполагаемого места повреждения каждой последовательности путем деления чисто аварийного напряжения на выходе первой внутренней модели поврежденного участка на нормированное напряжение на выходе второй внутренней модели поврежденного участка одноименных последовательностей,

определяют ток чисто аварийного режима с правой стороны от предполагаемого места повреждения каждой последовательности путем умножения нормированного тока на выходе второй внутренней модели поврежденного участка на коэффициент приведения для тока справа от предполагаемого места повреждения одноименных последовательностей,

определяют ток замыкания каждой последовательности как сумму чисто аварийных токов одноименных последовательностей слева и справа от предполагаемого места повреждения,

определяют доаварийное напряжение прямой последовательности в предполагаемом месте повреждения путем преобразования доаварийных величин одноименной последовательности на входе участка с левой стороны первой внутренней моделью поврежденного участка для прямой последовательности,

определяют напряжение аварийного режима прямой последовательности в предполагаемом месте повреждения как сумму доаварийного напряжения прямой последовательности в этом месте и чисто аварийного напряжения на выходе первой внутренней модели поврежденного участка для соответствующей последовательности,

определяют напряжение аварийного режима в предполагаемом месте повреждения обратной и нулевой последовательностей как напряжение чисто аварийного режима на выходе первой внутренней модели поврежденного участка для соответствующей последовательности.

Недостатком способа-прототипа является невозможность его функционирования при повреждениях в измерительных цепях напряжения.

Задача изобретения состоит в обеспечении функционирования способа одностороннего определения места повреждения линии электропередачи при повреждениях в измерительных цепях напряжения.

Поставленная задача достигается способом одностороннего определения места повреждения линии электропередачи, согласно которому измеряют фазные токи аварийного и доаварийного режимов в начале контролируемой линии электропередачи, определяют токи чистоаварийного режима в месте измерения как разность соответствующих величин аварийного и доаварийного режимов, рассчитывают доаварийное напряжение, а также аварийные и чистоаварийные напряжения прямой обратной и нулевой последовательностей, формируют реактивный параметр предполагаемого места повреждения и принимают за место повреждения точку, в которой реактивный параметр принимает нулевое значение.

Согласно предложения путем визуального контроля напряжений осциллограмм аварийного события, или путем получения сигнала о неисправности в измерительных цепях напряжения устройства дистанционной защиты линии электропередачи, фиксируют повреждение в измерительных цепях напряжения, определяют направление передаваемой мощности по линии электропередачи по данным доаварийного режима, исходя из направления передаваемой мощности по линии электропередачи, реализуют расчет доаварийного напряжения, а также аварийных и чистоаварийных напряжений прямой обратной и нулевой последовательностей, при расчетах используют измеренные значения фазных токов аварийного и доаварийного режимов, а также значения токов чистоаварийного режима, информацию о параметрах источников по концам линии электропередачи, обходных связей линии электропередачи и самой линии электропередачи, формируют реактивный параметр предполагаемого места повреждения с использованием измеренных токов и рассчитанных напряжений.

На фиг. 1 представлены схема замещения поврежденной ВЛЭП с двухсторонним питанием (фиг. 1а) в режиме КЗ, а также векторные диаграммы (фиг. 1 б, в), характеризующие распределение токов и напряжений.

На фиг. 2 изображены векторные диаграммы токов и напряжений при КЗ на ВЛЭП, в различных режимах передачи мощности.

На фиг. 3 приведена векторная диаграмма напряжений, поясняющая выполнение расчетов.

На фиг. 4 приведена векторная диаграмма напряжений и токов, поясняющая выполнение расчетов.

Воздушная линия электропередачи (фиг. 1) имеет длину L и соединяет шины 5 и 6 двух систем 1 и 2, системы имеют соответствующие собственные сопротивления 3 и 4. На ВЛЭП показано КЗ в точке 9, а также сопротивления ВЛЭП слева 7 и справа 8 от места КЗ. Между шинами 5 и 6 помимо ВЛЭП существуют обходные связи с общим комплексным сопротивлением Z_обх (10).

Способ одностороннего определения места повреждения линии электропередачи реализуется следующим образом.

При фиксации факта отключения контролируемой ВЛЭП устройством релейной защиты путем визуального контроля напряжений осциллограмм аварийного события, получаемых от соответствующего регистратора аварийных событий или от терминала защиты ВЛЭП, определяют повреждение в измерительных цепях напряжения. Такие повреждения могут, например, характеризоваться отсутствием на осциллограммах синусоидальных сигналов напряжения отдельных фаз или последовательностей. Дополнительно о неисправности в цепях напряжения может информировать световая сигнализация терминала релейной защиты, а также выдача соответствующего сигнала о неисправности в измерительных цепях напряжения устройством дистанционной защиты линии электропередачи в программно-аппаратный комплекс (ПАК) автоматизированной системы управления (АСУ ТП) подстанции, к которой подключена ВЛЭП.

Факт повреждения в измерительных цепях напряжения приводит к необходимости пользоваться расчетными значениями напряжений при реализации способа одностороннего определения места повреждения линии электропередачи. При этом используется информация об измеренных токах и дополнительная информация.

Для наиболее общего случая ВЛЭП с двухсторонним питанием (фиг. 1) в качестве такой дополнительной информации выступают значения модулей ЭДС |Е_s1| и |Е_s2| по концам ВЛЭП, комплексные сопротивления источников, а также параметры ВЛЭП и обходных связей. В ходе вычислений требуется переход от действующих к комплексным значениям токов и напряжений. Поясним процесс восстановления мгновенных значений фазных напряжений примером расчетов.

На фиг. 1 изображены схема замещения ВЛЭП в режиме КЗ (фиг. 1а), а также векторные диаграммы (фиг. 1б, в), характеризующие соотношения токов и напряжений. Здесь введены следующие обозначения: Е_s1, Е_s2, Z_s1, Z_s2 - ЭДС и собственные сопротивления источников по концам ВЛЭП; U_н, I_н - напряжение и ток нагрузки; U, I - напряжение и ток в месте установки защиты; U_ав, I_ав - чистоаварийные напряжение и ток, U_ав = U_н - U, I_ав = I - I_н; U_{к_н} - напряжение в точке КЗ; Z_L - сопротивление ВЛЭП; L - длина ВЛЭП; n - относительное расстояние до места повреждения; Z_обх - комплексное сопротивление обходных связей.

Отметим, что значения модулей токов |I|, |I_н| (фиг. 1б, в) могут быть определены по данным их мгновенных значений. Фазовый угол между напряжением U и током I неизвестен.

В зависимости от режима функционирования ВЛЭП, связанного с прямой или обратной передачей мощности (фиг. 2 а, б) при КЗ характерны два варианта распределения токов и напряжений (фиг. 2 в, г). Однако расчеты для обоих случаев аналогичны, поэтому в дальнейших пояснениях остановимся на варианте (фиг. 1б).

Определение направления передачи мощности при реализации способа одностороннего определения места повреждения линии электропередачи осуществляется по данным доаварийного режима. В частности, такая информация может быть получена от счетчиков электрической энергии (двунаправленные счетчики электрической энергии), подключенных к контролируемой ВЛЭП, или, например, из ПАК системы АСУ ТП подстанции, получающего информацию от датчиков телемеханики (измерительных преобразователей), также подключенных к контролируемой ВЛЭП.

Реализуем поэтапный расчет параметров токов и напряжений, включающий:

1. Определение углов α₁, α₂, δ треугольника ΔАВС (фиг. 1 б).

Стороны треугольника ΔАВС соответствуют значениям

|АС| = |Е_s1|, |ВС| = |Е_s2|, |АВ| = |U_d| = |Z_sum⋅I_{н_экв}|,

где с учетом параллельно включенных сопротивлений Z_L и Z_обх имеем

Z _sum = [Z_s1 + Z_s2 + Z_L⋅Z_обх / (Z_L + Z_обх)], I_{н_экв} = I_н / |K_i|, K_i = Z_обх / (Z_L + Z_обх),

причем при Z_обх >> Z_L коэффициент |K_i| = 1.

Расчет углов α₁, α₂, δ выполним с использованием теоремы косинусов, из которой (фиг. 1 б) следует

α₁ = arccos [(|АВ|² + |АС|² - |ВС|²) / (2⋅|АВ|⋅|АС|)] =

arccos [(|Z_sum⋅I_{н_экв}|² + |Е_s1|² - |Е_s2|²) / (2⋅|Z_sum⋅I_{н_экв}|⋅|Е_s1|)];

α₂ = arccos [(|АВ|² + |ВС|² - |АС|²) / (2⋅|АВ|⋅|АС|)] =

arccos [(|Z_sum⋅I_{н_экв}|² + |Е_s2|² - |Е_s1|²) / (2⋅|Z_sum⋅I_{н_экв}|⋅|Е_s2|)];

δ = 180° - α₁ - α₂ или δ = arccos [(|Е_s1|² + |Е_s2|² - |Z_sum⋅I_{н_экв}|²) / (2⋅|Е_s1|⋅|Е_s2|)].

2. Вычисление угла β треугольника ΔВСD (фиг. 3).

Определим длину отрезка |ВD| с учетом параллельного включения сопротивлений Z_L и Z_обх

|ВD| = |АВ|⋅|K_z| = |Z_sum⋅I_{н_экв}|⋅|K_z|,

где |K_z| = |[Z_s2 + Z_L⋅Z_обх / (Z_L + Z_обх)] / [Z_s1 + Z_s2 + Z_L⋅Z_обх / (Z_L + Z_обх)]|.

Определяем длину отрезка |СD| по теореме косинусов, соответствующую модулю напряжения |U_н| в доаварийном режиме. Ввиду повреждения цепей напряжения, напряжение |U_н| подлежит расчету

|U_н| = |СD| = sqrt (|ВD|² + |ВC|² - 2⋅|ВD|⋅|ВC|⋅сos α₂) =

= sqrt (|Z_sum⋅I_{н_экв}|²⋅|K_z|² + |Е_s2|² - 2⋅|Z_sum⋅I_{н_экв}|⋅|K_z|⋅|Е_s2|⋅сos α₂),

где sqrt (⋅) - функция квадратного корня.

Таким образом, по теореме косинусов угол β треугольника ∆ВСD равен

β = arccos [(|СD|² + |ВC|² - |ВD|²) / (2⋅|СD|⋅|ВC|)] =

=arccos [(|U_н|² +|Е_s2|² - |Z_sum⋅I_{н_экв}|²⋅|K_z|²) / (2⋅|U_н|⋅|Е_s2|)].

3. Расчет комплексного вектора тока I с учетом соотношения фаз векторной диаграммы (фиг. 4). Выберем прямую, соединяющую точки В и С, в качестве опорной, относительно которой будет производиться вычисление углов.

Исходя из соотношений векторов (фиг. 4), угол ν можно определить следующим образом

ν = 180° - α₂.

Выполним расчет угла λ в соответствии с выражением

λ = arg (Z_sum) - arg (K_i). (*)

Определим вектор тока нагрузки I_н, как

I _н = K_i⋅I_{н_экв} = K_i⋅U_d / Z_sum = |K_i|⋅exp[j⋅arg(K_i)]⋅|U_d / Z_sum|⋅exp[(-j⋅arg(Z_sum)] =

=|K_i|⋅|U_d / Z_sum|⋅exp[(j⋅(arg(K_i) - arg(Z_sum))].

В последнем выражении принято, что угол вектора U_d равен нулю, поскольку именно от этого вектора производится отсчет угла λ. Отметим, что на векторной диаграмме (фиг. 4) ток I_н изображен отстающим от вектора напряжения U_d, поэтому угол λ определяется выражением (*).

Произведем расчет вектора тока нагрузки I_н с учетом векторной диаграммы (фиг. 4). Воспользуемся модульным значением |I_н|, которое может быть получено в результате цифровой обработки мгновенных значений тока в доаварийном режиме, полученных из осциллограммы аварийного события, тогда

I _н = |I_н|⋅exp [j⋅(ν - λ)].

Учитывая соотношение векторов токов I и I_н (фиг. 4), определим вектор

I = |I|⋅exp [j⋅(ν - λ - ϕ)].

Отметим, что приведенные выше математические выкладки были сформированы для прямой последовательности, таким образом были получены токи прямой последовательности I₁ и I_н1.

4. Расчет токов обратной и нулевой последовательностей.

Считаем, что по результатам цифровой обработки мгновенных значений токов КЗ и доаварийном режиме, взятых из осциллограмм аварийного события, получаем модули токов |I₁|, |I₂|, |I₀| и |I_н1|, |I_н2|, |I_н0|, а также соотношение фазовых углов между указанными токами: ф_1,2, ф_1,0, ф_н1,2, ф_н1,0. Тогда для векторов токов обратной и нулевой последовательностей можно записать

I ₂ = |I₂|⋅exp [j⋅(ф_1,2 + ψ)]; I₀ = |I₀|⋅exp [j⋅(ф_1,0 + ψ)];

I _{н 2} = |I_н2|⋅exp [j⋅(ф_н1,2+ ψ')]; I_н0 = | I_н0|⋅exp [j⋅(ф_н1,0 + ψ')],

где ψ = (ν - λ - ϕ) - аргумент тока I₁, ψ' = (ν - λ) - аргумент тока I_н1.

5. Вычисление фазных токов и симметричных составляющих чистоаварийных токов.

I _а = I₀ + I₁ + I₂; I_b = I₀ + a²⋅I₁ + a⋅I₂; I_c = I₀ + a⋅I₁ + a²⋅I₂;

I _на = I_н0 + I_н1 + I_н2; I_нb = I_н0 + a²⋅I_н1 + a⋅I_н2; I_нc = I_н0 + a⋅I_н1 + a²⋅I_н2;

I _{ав 1} = I₁ - I_н1; I_ав2 = I₂ - I_н2; I_ав0 = I₀ - I_н0.

6. Определение симметричных составляющих чистоаварийных напряжений.

Рассчитываем коэффициенты токораспределения для симметричных составляющих: прямой последовательности: K_i1 = Z_обх1 / (Z_обх1 + Z_L1), при больших Z_обх1>> Z_L1, K_i1 = 1;

обратной последовательности: K_i2 = Z_обх2 / (Z_обх2 + Z_L2), при больших Z_обх2>> Z_L2, K_i2 = 1;

нулевой последовательности: K_i0 = Z_обх0 / (Z_обх0 + Z_L0), при больших Z_обх0>> Z_L0, K_i0 = 1;

По полученным коэффициентам токораспределения симметричных составляющих и сопротивлениям системы со стороны места установки защиты (фиг. 1а) вычисляем чистоаварийные напряжения

U _{ав 1} = Z_s11⋅K_i1⋅I_ав1; U_ав2 = Z_s12⋅K_i2⋅I_ав2; U_ав0 = Z_s10⋅K_i0⋅I_ав0.

7. Расчет симметричных и фазных составляющих напряжений.

U ₁ = U_н1 + U_ав1; U₂ = U_ав2; U₀ = U_ав0.

U _а = U₀ + U₁ + U₂; U_b = U₀ + a²⋅U₁ + a⋅U₂; U_c = U₀ + a⋅U₁ + a²⋅U₂.

Таким образом, в результате реализации этапов 1 - 7 получены комплексные значения фазных напряжений, а также чистоаварийных напряжений прямой обратной и нулевой последовательностей.

Имея измеренные токи и рассчитанные напряжения, можно реализовать способ одностороннего определения места повреждения линии электропередачи с учетом формирования реактивного параметра предполагаемого места повреждения, который определяется формульными выражениями способа-прототипа или способов-аналогов.

Изобретение относится к измерениям в электроэнергетике при определении места повреждения линии электропередач. Технический результат: обеспечение определения места повреждения линии электропередачи при повреждениях в измерительных цепях напряжения. Сущность: измеряют фазные токи аварийного и доаварийного режимов в начале контролируемой линии электропередачи, определяют токи чисто аварийного режима в месте измерения как разность соответствующих величин аварийного и доаварийного режимов, рассчитывают доаварийное напряжение, а также аварийные и чисто аварийные напряжения прямой обратной и нулевой последовательностей. Формируют реактивный параметр предполагаемого места повреждения и принимают за место повреждения точку, в которой реактивный параметр принимает нулевое значение. При этом путем визуального контроля напряжений осциллограмм аварийного события или путем получения сигнала о неисправности в измерительных цепях напряжения устройства дистанционной защиты линии электропередачи фиксируют повреждение в измерительных цепях напряжения. Определяют направление передаваемой мощности по линии электропередачи по данным доаварийного режима. Исходя из направления передаваемой мощности по линии электропередачи, реализуют расчет доаварийного напряжения, а также аварийных и чистоаварийных напряжений прямой обратной и нулевой последовательностей. При расчетах используют измеренные значения фазных токов аварийного и доаварийного режимов, а также значения токов чистоаварийного режима, информацию о параметрах источников по концам линии электропередачи, обходных связей линии электропередачи и самой линии электропередачи. Формируют реактивный параметр предполагаемого места повреждения с использованием измеренных токов и рассчитанных напряжений. 4 ил.

Способ одностороннего определения места повреждения линии электропередачи, согласно которому измеряют фазные токи аварийного и доаварийного режимов в начале контролируемой линии электропередачи, определяют токи чисто аварийного режима в месте измерения как разность соответствующих величин аварийного и доаварийного режимов, рассчитывают доаварийное напряжение, а также аварийные и чисто аварийные напряжения прямой обратной и нулевой последовательностей, формируют реактивный параметр предполагаемого места повреждения и принимают за место повреждения точку, в которой реактивный параметр принимает нулевое значение, отличающийся тем, что путем визуального контроля напряжений осциллограмм аварийного события или путем получения сигнала о неисправности в измерительных цепях напряжения устройства дистанционной защиты линии электропередачи фиксируют повреждение в измерительных цепях напряжения, определяют направление передаваемой мощности по линии электропередачи по данным доаварийного режима, исходя из направления передаваемой мощности по линии электропередачи, реализуют расчет доаварийного напряжения, а также аварийных и чистоаварийных напряжений прямой обратной и нулевой последовательностей, при расчетах используют измеренные значения фазных токов аварийного и доаварийного режимов, а также значения токов чисто аварийного режима, информацию о параметрах источников по концам линии электропередачи, обходных связей линии электропередачи и самой линии электропередачи, формируют реактивный параметр предполагаемого места повреждения с использованием измеренных токов и рассчитанных напряжений.