Способ двухстороннего волнового определения места повреждения кабельно-воздушной линии электропередачи Российский патент 2024 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике, и может быть использовано для определения места повреждения кабельно-воздушной линии электропередачи (КВЛ).

Известен способ двухстороннего волнового определения места повреждения КВЛ (S. Marx, Y. Tong and M.V. Mynam, "Traveling-Wave Fault Locating for Multiterminal and Hybrid Transmission Lines", 45^th Annual Western Protective Relay Conference Spokane, October 16-18, 2018), согласно которому место повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам КВЛ. При этом в каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или фазные напряжения и линейно преобразуют их в сигнал волнового процесса путем применения модального преобразования с последующим заграждением основной гармоники. По сигналу волнового процесса фиксируют момент прихода первичной волны к устройству. После чего через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и определяют поврежденный участок КВЛ. На основе упомянутых моментов прихода первичных волн, а также времен пробега волной отдельных участков оценивают моменты прихода первичных волн к границам поврежденного участка. Расстояние до места повреждения определяют как сумму длин неповрежденных участков КВЛ со стороны устройства и части поврежденного участка, определенной общеизвестным двухсторонним волновым способом с использованием моментов прихода первичных волн к его границам.

Для определения поврежденного участка КВЛ оценивают длительность интервала между упомянутыми моментами прихода первичных волн к устройствам и расчетные длительности интервалов между ними в предположении, что место повреждения расположено на границах участков. При этом поврежденный участок определяют по месту расположения длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам в последовательности расчетных длительностей интервалов.

Такой способ определения поврежденного участка и расстояния до места повреждения в нем требует задания фактической скорости распространения волны в каждом участке КВЛ. Если фактические скорости неизвестны, способ может определить поврежденный участок КВЛ и расстояние до места повреждения неправильно.

Данный недостаток частично устранен в способе двухстороннего волнового определения места повреждения КВЛ (патент РФ № 2774049, опубл. 14.06.2022), согласно которому место повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам КВЛ. При этом в каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или фазные напряжения и линейно преобразуют их в сигнал волнового процесса путем применения модального преобразования с последующим заграждением основной гармоники. Фиксируют момент прихода первичной волны к устройству, за который принимают момент первого превышения заданного порога абсолютным значением сигнала волнового процесса. В момент прихода первичной волны запускают счетчик времени. Через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и определяют поврежденный участок КВЛ аналогично вышеописанному способу. При этом для оценивания расстояния до места повреждения рассматриваемый способ не требует задания фактической скорости распространения волны на участках КВЛ. Для этого вышеописанным способом определяют расстояние до предполагаемого места повреждения и на его основе находят оценку момента прихода первой отраженной от места повреждения волны. Относительно нее задают в сигнале волнового процесса окно, в пределах которого обнаруживают волну и в момент ее прихода останавливают счетчик времени. После чего определяют фактическую скорость распространения волны в поврежденном участке как скорость, с которой волна пробегает расстояние, равное удвоенной длине поврежденного участка за время, равное сумме показаний счетчиков времени обоих устройств. Расстояние до места повреждения определяют как сумму длин неповрежденных участков кабельно-воздушной линии электропередачи со стороны устройства и части поврежденного участка, которую пробегает волна за время, равное половине показания своего счетчика времени.

Рассматриваемый способ при определении поврежденного участка КВЛ действует согласно вышеописанному способу, а именно: оценивает длительность интервала между упомянутыми моментами прихода первичных волн к устройствам и расчетные длительности интервалов между ними в предположении, что место повреждения расположено на границах участков. При этом поврежденный участок определяют по месту расположения длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам в последовательности расчетных длительностей интервалов. Такой способ определения поврежденного участка, как было отмечено ранее, требует задания фактической скорости распространения волны в каждом участке КВЛ. Если фактические скорости неизвестны, способ может определить поврежденный участок КВЛ неправильно.

Этот способ является наиболее близким к предлагаемому способу по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату, и принят за прототип.

Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, заключается в повышении точности определения расстояния до места повреждения.

В новом способе так же, как и в прототипе, место повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам КВЛ. В каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или фазные напряжения и линейно преобразуют их в сигнал волнового процесса путем применения модального преобразования с последующим заграждением основной гармоники. Фиксируют момент прихода первичной волны к устройству, за который принимают момент первого превышения заданного порога абсолютным значением сигнала волнового процесса. В момент прихода первичной волны запускают счетчик времени. Через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и определяют поврежденный участок КВЛ. На основе упомянутых моментов прихода первичных волн, а также времен пробега волной отдельных участков оценивают моменты прихода первичных волн к границам поврежденного участка. Определяют расстояние до предполагаемого места повреждения как сумму длин неповрежденных участков КВЛ со стороны устройства и части поврежденного участка, определенной общеизвестным двухсторонним волновым способом с использованием моментов прихода первичных волн к его границам. По расстоянию до предполагаемого места повреждения находят оценку момента прихода первой отраженной от места повреждения волны и относительно нее задают в сигнале волнового процесса окно, в пределах которого обнаруживают волну и в момент ее прихода останавливают счетчик времени. Определяют фактическую скорость распространения волны в поврежденном участке как скорость, с которой волна пробегает расстояние, равное удвоенной длине поврежденного участка за время, равное сумме показаний счетчиков времени обоих устройств. Расстояние до места повреждения определяют как сумму длин неповрежденных участков КВЛ со стороны устройства и части поврежденного участка, которую пробегает волна за время, равное половине показания своего счетчика времени, вводят новые операции. Отличие предлагаемого способа заключается в том, что в каждом устройстве фиксируют максимальное значение сигнала волнового процесса на первом отрезке времени превышения им упомянутого порога и оценивают амплитуду первичной волны, падающей на место установки устройства, как частное от деления этого значения на коэффициент преломления первичной волны в месте установки устройства. На основе амплитуды первичной волны, падающей на место установки устройства, формируют рабочий сигнал, представляющий собой зависимость амплитуды первичной волны при распространении вдоль участков КВЛ с учетом ее затухания и предположения, что место повреждения находится на противоположном конце КВЛ. Через каналы передачи информации получают от другого устройства его рабочий сигнал и формируют контролируемый сигнал как модуль разности значений рабочих сигналов для соответствующих мест КВЛ. При этом за поврежденный участок КВЛ принимают участок, который соответствует минимальному значению контролируемого сигнала.

Фиг. 1 поясняет принцип работы предлагаемого способа: фиг. 1, а) иллюстрирует распространение волн по КВЛ при коротком замыкании (КЗ), на фиг. 1, б) показаны рабочие сигналы и , а на фиг. 1, в) – контролируемый сигнал . Сущность предлагаемого способа поясняется блок-схемой на фиг. 2.

Для пояснения сути предлагаемого способа рассмотрим особенности распространения волн тока при трехфазном КЗ на КВЛ, состоящей из трех воздушных участков №№ 1, 3 и 5 длиной , и , а также двух кабельных участков № 2 и № 4 длиной и (фиг 1, а). При этом волновые процессы в линии можно рассматривать в однолинейной схеме. Для наглядности объяснений примем, что каждый участок КВЛ является линией без потерь. Распространение волны напряжения происходит аналогично распространению волны тока, а ее амплитуда линейно связана с амплитудой волны тока через волновое сопротивление участка КВЛ.

Известно, что в месте КЗ в поврежденных фазах возникают первичные волны равной амплитуды (фиг. 1, а). Они движутся по участкам КВЛ к устройствам и , установленным на концах линии. Причем в местах перехода с одного участка на другой они изменяются на соответствующий коэффициент преломления. Тогда амплитуда первичной волны тока, падающей в момент на место установки устройства :

а амплитуда первичной волны тока, падающей в момент на место установки устройства :

где и – коэффициенты преломления волны из i+1 участка в i-й и из i-го участка в i+1, соответственно;

– волновое сопротивление i-го участка, – количество мест неоднородности на КВЛ.

Кроме того в местах перехода волн с одного участка на другой происходит их отражение. Поэтому в моменты и прихода первичных волн к границам поврежденного участка они отражаются обратно. Отраженные волны движутся к месту КЗ, где отразившись вновь, направляются к местам установки устройств и соответственно (фиг. 1, а). В моменты и первые отраженные от места повреждения волны приходят к концам КВЛ. Причем отрезки времени, на которые они отстали от первичных волн, равны и , соответственно.

Для оценки расстояния до места повреждения и прототип и предлагаемый способ сначала фиксируют моменты и прихода первичных волн и определяют поврежденный участок КВЛ (фиг. 1, а). Затем на основе упомянутых моментов прихода первичных волн, а также времен пробега волной отдельных участков оценивают моменты прихода первичных волн к границам поврежденного участка:

и

где – время пробега волной i-го участка длиной со скоростью в соответствующей линии без потерь.

После чего определяют расстояние до предполагаемого места повреждения как сумму длин неповрежденных участков КВЛ со стороны устройства и части поврежденного участка, определенной общеизвестным двухсторонним волновым способом с использованием моментов и прихода первичных волн к его границам. Для устройства это может быть представлено алгоритмом:

где – сумма длин неповрежденных участков КВЛ со стороны устройства ;

и – длина поврежденного участка и скорость распространения волны в соответствующей линии без потерь.

Поскольку скорость распространения волны в линии без потерь отличается от фактической скорости распространения волны в поврежденном участке, то расстояние до предполагаемого места повреждения будет неточным. Поэтому для его уточнения и прототип и предлагаемый способ определяют фактическую скорость распространения волны в поврежденном участке. Для этого на основе расстояния до предполагаемого места повреждения распознают первые отраженные от места повреждения волны и фиксируют моменты и их прихода к устройствам. После чего оценивают отрезки времени, на которое они отстали от соответствующих первичных волн:

и

Фактическую скорость распространения волны в поврежденном участке определяют как скорость, с которой волна пробегает расстояние, равное удвоенной длине поврежденного участка за время, равное сумме отрезков времени и :

Расстояние до места повреждения в поврежденном участке устройство определяет как сумму длин неповрежденных участков КВЛ со стороны устройства и части поврежденного участка, которую пробегает волна за половину отрезка времени :

Устройство при определении расстояния до места повреждения действует схожим образом.

Прототип и предлагаемый способ одинаково определяют расстояние до места повреждения. Отличие предлагаемого способа заключается в способе определения поврежденного участка КВЛ.

Для определения поврежденного участка прототип оценивает длительность интервала между упомянутыми моментами и прихода первичных волн к устройствам и расчетные длительности интервалов между ними в предположении, что место повреждения расположено на границах участков. При этом поврежденный участок КВЛ определяют по месту расположения длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам в последовательности расчетных длительностей интервалов. Такой способ определения поврежденного участка требует задания фактической скорости распространения волны в каждом участке КВЛ. Если фактические скорости неизвестны, способ может определить поврежденный участок неправильно.

Предлагаемый способ при определении поврежденного участка не использует скорости распространения волн на участках КВЛ. Он основан на свойстве равенства амплитуд первичных волн слева и справа от места повреждения. Для этого в каждом устройстве на основе измерений фазных токов или фазных напряжений оценивают амплитуду первичной волны, падающей на место установки устройства ( и на фиг. 1, а). После чего в каждом устройстве определяют зависимость амплитуды первичной волны при распространении вдоль участков КВЛ с учетом ее затухания и предположения, что место повреждения находится на противоположном конце КВЛ (фиг. 1, б). Поскольку для наглядности принято, что участки являются линиями без потерь, то устройство считает, что амплитуда первичной волны на каждом i+1 участке отличается от амплитуды на i-м участке на величину, обратную коэффициенту преломления , то есть:

а .

Устройство действует схожим образом. Оно принимает, что амплитуда первичной волны на каждом i-м участке отличается от амплитуды на i+1 участке на величину, обратную коэффициенту преломления , то есть:

причем .

После чего устройства и через каналы передачи информации обмениваются оценками амплитуд первичных волн, определенных по (8) и (9), соответственно, и вычисляют модули разности соответствующих оценок и за поврежденный участок КВЛ принимают участок, который соответствует минимальному значению. Поэтому для рассматриваемого примера . Такой способ не требует информации о фактических скоростях распространениях волны вдоль КВЛ и, как следствие, точнее определяет поврежденный участок и, соответственно, расстояние до места повреждения.

Рассмотрим работу предлагаемого способа более подробно на примере устройства . При пояснении принципа действия способа будем полагать, что устройства и измеряют фазные токи , – обозначение фаз. Работа способа при измерении фазных напряжений будет аналогична.

Расстояние до места повреждения определяется путем выполнения следующих операций.

1. Фазные токи преобразуют в сигнал волнового процесса в блоке линейного преобразования 6 (фиг. 2). Преобразование осуществляется в два этапа. На первом этапе три фазных тока , и линейно преобразуют по одному из правил модального преобразования:

где – матрица преобразования Кларк.

Примем для определенности, что преобразованный таким образом сигнал представлен составляющей воздушного волнового канала . Необходимый сигнал волнового процесса получают путем заграждения основной гармоники в сигнале . При этом в качестве заграждающего фильтра обычно используют цифровой дифференциатор:

где – номер отсчета,

– целое число, например, .

Выбор дифференциатора объясняется тем, что скорость изменения основной гармоники несравнима с приращением сигнала на фронте волны. Поэтому он подавляет основную гармонику и подчеркивает волны.

2. Дискриминатором 7 фиксируют момент прихода первичной волны к устройству . В простейшем случае за момент принимают момент первого превышения заданного порога абсолютным значением сигнала волнового процесса (E. O. Schweitzer, A. Guzmán, M. V. Mynam, V. Skendzic, B. Kasztenny and S. Marx, "Locating faults by the traveling waves they launch,"2014 67^th Annual Conference for Protective Relay Engineers, 2014, pp. 95-110).

3. Для определения поврежденного участка КВЛ в блоке 8 оценивают амплитуду первичной волны, падающей на место установки устройства . Для этого фиксируют максимальное значение сигнала волнового процесса на первом отрезке времени превышения им упомянутого порога и оценивают амплитуду как частное от деления этого значения на коэффициент преломления первичной волны в месте установки устройства :

,

где

,

– эквивалентное волновое сопротивление элементов сети, примыкающих к КВЛ со стороны устройства .

4. В блоке 9 на основе амплитуды первичной волны, падающей на место установки устройства , формируют рабочий сигнал (фиг. 1, б), представляющий собой зависимость амплитуды первичной волны при распространении вдоль участков КВЛ с учетом ее затухания и предположения, что место повреждения находится на противоположном конце линии. Для рассматриваемого примера значения рабочего сигнала формируют в виде отрезков постоянного сигнала, уровень которых определяется по алгоритму (8), то есть , – номер участка КВЛ. Также для этих целей может использоваться имитационное моделирование.

5. Через каналы передачи информации получают от устройства его рабочий сигнал , сформированный в виде отрезков постоянного сигнала, уровень которых определяется по алгоритму (9), то есть и в блоке 10 формируют контролируемый сигнал (фиг. 1, в) как модуль разности значений рабочих сигналов и для соответствующих участков КВЛ:

6. В блоке 11 определяют поврежденный участок КВЛ . Причем за него принимают участок, который соответствует минимальному значению контролируемого сигнала . Для рассматриваемого примера (фиг. 1, в).

7. В блоке 12 на основе момента прихода первичной волны к устройству и момента прихода первичной волны к устройству , информацию о котором получают через каналы передачи информации, оценивают моменты и прихода первичных волн к границам поврежденного участка по алгоритмам (1) и (2), соответственно.

8. В блоке 13 на основе упомянутых моментов и определяют расстояние до предполагаемого места повреждения по алгоритму (3).

9. В блоке 14 на основе сигнала волнового процесса фиксируют момент прихода первой отраженной от места повреждения волны. Для этого сначала находят его оценку:

и относительно нее задают в сигнале волнового процесса окно (фиг. 1, а). В пределах упомянутого окна вышеописанным способом обнаруживают волну и момент ее прихода принимают за момент прихода первой отраженной от места повреждения волны.

10. Счетчиком времени 15 определяют отрезок времени , на который первая отраженная от места повреждения волна отстает от первичной волны. Для этого счетчик времени 15 запускают в момент прихода первичной волны к устройству и останавливают в момент прихода первой отраженной от места повреждения волны. При этом за величину отрезка времени принимают показание счетчика времени 15.

11. В блоке 16 определяют фактическую скорость распространения волны в поврежденном участке как скорость, с которой волна пробегает расстояние, равное удвоенной длине поврежденного участка за время, равное сумме показаний счетчиков времени обоих устройств. Описанное представляется алгоритмом (6).

12. Расстояние до места повреждения в блоке 17 определяют по алгоритму (7) как сумму длин неповрежденных участков КВЛ со стороны устройства и части поврежденного участка, которую пробегает волна за время, равное половине показания своего счетчика времени .

Напомним, что устройство на противоположном конце КВЛ работает аналогично.

Таким образом, благодаря новому способу определения поврежденного участка КВЛ, повышается точность определения расстояния до места повреждения.

Изобретение относится к измерениям в области электротехники и может быть использовано для определения места повреждения кабельно-воздушной линии электропередачи (КВЛ). Технический результат: повышение точности определения расстояния до места повреждения КВЛ. Сущность: расстояние до места повреждения определяют как сумму длин неповрежденных участков КВЛ со стороны устройства и части поврежденного участка, которую пробегает волна за время, равное половине величины отрезка времени между моментами прихода первичной и первой отраженной от места повреждения волн. Для точного определения поврежденного участка КВЛ в каждом устройстве оценивают амплитуду первичной волны, падающей на место установки устройства. На ее основе формируют рабочий сигнал, представляющий собой зависимость амплитуды первичной волны при распространении вдоль участков КВЛ с учетом ее затухания и предположения, что место повреждения находится на противоположном конце КВЛ. Через каналы передачи информации получают от устройства на противоположном конце КВЛ его рабочий сигнал и формируют контролируемый сигнал как модуль разности значений рабочих сигналов для соответствующих мест КВЛ. За поврежденный участок КВЛ принимают участок, который соответствует минимальному значению контролируемого сигнала. 2 ил.

Способ двухстороннего волнового определения места повреждения кабельно-воздушной линии электропередачи, согласно которому место повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам кабельно-воздушной линии электропередачи, в каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или фазные напряжения и линейно преобразуют их в сигнал волнового процесса путем применения модального преобразования с последующим заграждением основной гармоники, фиксируют момент прихода первичной волны к устройству, за который принимают момент первого превышения заданного порога абсолютным значением сигнала волнового процесса, и в момент прихода первичной волны запускают счетчик времени, через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и определяют поврежденный участок кабельно-воздушной линии электропередачи, на основе упомянутых моментов прихода первичных волн, а также времен пробега волной отдельных участков, оценивают моменты прихода первичных волн к границам поврежденного участка, определяют расстояние до предполагаемого места повреждения как сумму длин неповрежденных участков кабельно-воздушной линии электропередачи со стороны устройства и части поврежденного участка, определенной двухсторонним волновым способом с использованием моментов прихода первичных волн к его границам, по расстоянию до предполагаемого места повреждения находят оценку момента прихода первой отраженной от места повреждения волны и относительно нее задают в сигнале волнового процесса окно, в пределах которого обнаруживают волну и в момент ее прихода останавливают счетчик времени, определяют фактическую скорость распространения волны в поврежденном участке как скорость, с которой волна пробегает расстояние, равное удвоенной длине поврежденного участка за время, равное сумме показаний счетчиков времени обоих устройств, расстояние до места повреждения определяют как сумму длин неповрежденных участков кабельно-воздушной линии электропередачи со стороны устройства и части поврежденного участка, которую пробегает волна за время, равное половине показания своего счетчика времени, отличающийся тем, что в каждом устройстве фиксируют максимальное значение сигнала волнового процесса на первом отрезке времени превышения им упомянутого порога и оценивают амплитуду первичной волны, падающей на место установки устройства как частное от деления этого значения на коэффициент преломления первичной волны в месте установки устройства, на основе амплитуды первичной волны, падающей на место установки устройства, формируют рабочий сигнал, представляющий собой зависимость амплитуды первичной волны при распространении вдоль участков кабельно-воздушной линии электропередачи с учетом ее затухания и предположения, что место повреждения находится на противоположном конце кабельно-воздушной линии электропередачи, через каналы передачи информации получают от другого устройства его рабочий сигнал и формируют контролируемый сигнал как модуль разности значений рабочих сигналов для соответствующих мест кабельно-воздушной линии электропередачи, и за поврежденный участок кабельно-воздушной линии электропередачи принимают участок, который соответствует минимальному значению контролируемого сигнала.