Способ одностороннего волнового определения места повреждения линии электропередачи с обходной связью 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 на линии электропередачи (ЛЭП).

Известен способ одностороннего волнового определения места повреждения (ОМП) на ЛЭП (US 11061062 B2 Traveling Wave Based Method for Locating a Fault in a Transmission Line and Device Therefor. Дата публикации: 13.07.2021), согласно которому фазные токи в месте измерений линейно преобразуют в контролируемый сигнал путем заграждения основной гармоники и фиксируют на его основе моменты прихода трех первых волн к месту измерений. По длительности интервала между моментами прихода первой и второй волн, длине контролируемой ЛЭП и скорости распространения волны в ней определяют два предполагаемых места повреждения, одно из которых находится на первой, а второе - на второй половине ЛЭП. Рассчитывают оценку момента прихода третьей волны к месту измерений полагая, что место повреждения находится на первой половине контролируемой ЛЭП. Если момент прихода третьей волны к месту измерений совпадает с его оценкой, то за место повреждения принимают предполагаемое место повреждения на первой половине контролируемой ЛЭП, иначе - предполагаемое место повреждения на второй половине контролируемой ЛЭП.

Способ теряет работоспособность на ЛЭП с короткой обходной связью (параллельная ЛЭП, время пробега волной которой меньше, чем время пробега волной контролируемой ЛЭП), поскольку не учитывает возможность прихода волн по ней к месту измерений.

Также известен способ одностороннего волнового определения места повреждения ЛЭП (патент RU №2790629 C1, дата публикации: 28.02.2023), согласно которому фазные токи в месте измерений линейно преобразуют в контролируемый сигнал путем применения модального преобразования с последующим заграждением основной гармоники. Фиксируют на его основе моменты прихода волн к месту измерений и определяют амплитуды и полярности измеренных волн. На основе фазных токов и фазных напряжений в месте измерений, а также удельных параметров контролируемой ЛЭП оценивают предаварийные напряжения фаз в ориентировочном месте повреждения, определенном другим способом, и линейно преобразуют их во вспомогательный сигнал путем применения упомянутого модального преобразования. Определяют знак вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, за который принимают момент, опережающий момент прихода первой волны к месту измерений на время пробега волной по контролируемой ЛЭП от ориентировочного места повреждения до места измерений. Если полярность первой измеренной волны совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, то на заданном отрезке времени после момента прихода первой волны к месту измерений отбирают моменты прихода рабочих волн, причем если эквивалентное волновое сопротивление ЛЭП, примыкающих со стороны места измерений к контролируемой ЛЭП, меньше ее волнового сопротивления, то за рабочие волны принимают измеренные волны, полярности которых совпадают с полярностью первой измеренной волны, иначе - измеренные волны, полярности которых противоположны полярности первой измеренной волны. По моментам прихода рабочих волн определяют предполагаемые места повреждения как расстояние, которое пробегает волна по контролируемой ЛЭП за время, равное половине длительности интервала между моментами прихода первой и рабочей волн, и выбирают за место повреждения то из предполагаемых мест на контролируемой ЛЭП, которое ближе к ориентировочному месту повреждения, определенному другим способом.

Если полярность первой измеренной волны не совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, то полагают, что она пришла к месту измерений с короткой обходной связи, а место повреждения располагается ближе к противоположному концу контролируемой ЛЭП. При этом выявляют следующую за первой измеренную волну, чья амплитуда превышает амплитуду первой измеренной волны, и на заданном отрезке времени после момента ее прихода к месту измерений отбирают моменты прихода рабочих волн и на их основе вышеупомянутым способ определяют место повреждения. Такой способ может функционировать ошибочно из-за значительного затухания рабочей волны, которая пробегает по контролируемой ЛЭП от места измерений к месту повреждения и обратно.

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

Достигаемый предлагаемым способом технический результат заключается в повышении точности одностороннего волнового ОМП на ЛЭП с короткой обходной связью.

С этой целью в известный способ одностороннего волнового определения места повреждения ЛЭП, согласно которому фазные токи в месте измерений линейно преобразуют в контролируемый сигнал путем применения модального преобразования с последующим заграждением основной гармоники, фиксируют на его основе моменты прихода волн к месту измерений и определяют амплитуды и полярности измеренных волн, на основе фазных токов и фазных напряжений в месте измерений, а также удельных параметров контролируемой ЛЭП оценивают предаварийные напряжения фаз в ориентировочном месте повреждения, определенном другим способом, и линейно преобразуют их во вспомогательный сигнал путем применения упомянутого модального преобразования, определяют знак вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, за который принимают момент, опережающий момент прихода первой волны к месту измерений на время пробега волной по контролируемой ЛЭП от ориентировочного места повреждения до места измерений, и если полярность первой измеренной волны совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, то на заданном отрезке времени после момента прихода первой волны к месту измерений отбирают моменты прихода рабочих волн, причем если эквивалентное волновое сопротивление ЛЭП, примыкающих со стороны места измерений к контролируемой ЛЭП, меньше ее волнового сопротивления, то за рабочие волны принимают измеренные волны, полярности которых совпадают с полярностью первой измеренной волны, иначе - измеренные волны, полярности которых противоположны полярности первой измеренной волны, по моментам прихода рабочих волн определяют предполагаемые места повреждения как расстояние, которое пробегает волна по контролируемой ЛЭП за время, равное половине длительности интервала между моментами прихода первой и рабочей волн к месту измерений, и выбирают за место повреждения то из предполагаемых мест на контролируемой ЛЭП, которое ближе к ориентировочному месту повреждения, определенному другим способом, вводятся новые операции. Сущность новых операций в предлагаемом способе заключается в том, что если полярность первой измеренной волны не совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, то оценивают момент прихода первой волны к противоположному концу контролируемой ЛЭП как момент, опережающий момент ее прихода к месту измерений на время пробега волной по обходной связи, и за место повреждения принимают место, удаленное от середины контролируемой ЛЭП на расстояние, которое пробегает волна по ней за время, равное половине длительности интервала между упомянутой оценкой момента прихода первой волны к противоположному концу контролируемой ЛЭП и моментом прихода к месту измерений следующей за первой измеренной волны, чья амплитуда превышает амплитуду первой измеренной волны, а полярность совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения.

Фиг. 1 иллюстрирует общеизвестный принцип одностороннего волнового ОМП на ЛЭП с короткой обходной связью. Фиг. 2 иллюстрирует работу прототипа и предлагаемого способа, когда первой к месту измерений приходит волна с обходной связи. На фиг. 3 приведена блок-схема, поясняющая предлагаемый способ.

Перед пояснением сути предлагаемого способа рассмотрим общеизвестный принцип одностороннего волнового ОМП на ЛЭП с короткой обходной связью. Для этого воспользуемся схемой электрической сети, включающей контролируемую устройством ОМП ЛЭП и короткую обходную связь, соединяющих подстанции ПС1 и ПС2 (фиг. 1). Для наглядности рассмотрим случай трехфазного короткого замыкания. При этом волновые процессы в ЛЭП можно рассматривать на примере однолинейной схемы.

При возникновении повреждения на контролируемой ЛЭП в месте возникают волны тока (далее - волны). Их полярность определяется мгновенным предаварийным напряжением в месте повреждения (патент RU №2790629 C1, дата публикации: 28.02.2023). В момент одна из волн достигает места измерений и отражается обратно (фиг. 1). Отраженная волна направляется к месту повреждения и возвращается в момент . Устройством ОМП она всегда принимается за рабочую исходя из анализа величины эквивалентного волнового сопротивления ЛЭП, примыкающих со стороны места измерений к контролируемой ЛЭП (патент RU №2767287 C1, дата публикации: 17.03.2022).

Как в прототипе, так и в предлагаемом способе, если полярность первой измеренной волны совпадает со знаком мгновенного предаварийного напряжения в ориентировочном месте повреждения, определенном другим способом, то полагают, что первой к месту измерений пришла волна с контролируемой ЛЭП. При этом на заданном отрезке времени после момента прихода этой волны отбирают момент прихода рабочей волны и определяют расстояние до места повреждения как расстояние, которое пробегает волна по контролируемой ЛЭП за время, равное половине длительности интервала между моментами прихода упомянутых волн:

, (1)

где - скорость распространения волны по контролируемой ЛЭП.

Если же полярность первой измеренной волны не совпадает со знаком мгновенного предаварийного напряжения в ориентировочном месте повреждения, определенном другим способом, то и прототип и предлагаемый способ полагают, что первой к месту измерений пришла волна с короткой обходной связи (в момент на фиг. 2). Такой случай возможен, когда повреждение возникает ближе к противоположному концу контролируемой ЛЭП. При этом прототип игнорирует эту волну и выявляет ту, которая пришла по контролируемой ЛЭП первой (в момент на фиг. 2). За нее он принимает следующую за первой измеренную волну, амплитуда которой превышает амплитуду первой измеренной волны. Дальнейшие действие прототипа по определению места повреждения аналогичны вышеописанным, т.е. для случая на фиг. 2 в конечном счете он действует по формуле (1). Это может привести к неправильному определению места повреждения из-за значительного затухания рабочей волны, которая пробегает по контролируемой ЛЭП от места измерений до места повреждения на конце ЛЭП и обратно.

Предлагаемый способ не имеет упомянутого недостатка. Дело в том, что в случае, когда первой к месту измерений приходит волна с короткой обходной связи, он оценивает момент прихода первой волны к противоположному концу контролируемой ЛЭП как момент, опережающий момент ее прихода к месту измерений на время пробега волной по обходной связи

, (2)

и за место повреждения принимает место, удаленное от середины контролируемой ЛЭП на расстояние, которое пробегает волна по ней за время, равное половине длительности интервала между оценкой момента прихода первой волны к противоположному концу контролируемой ЛЭП и моментом прихода к месту измерений первой волны с контролируемой ЛЭП, за которую принимается следующая за первой измеренная волна, чья амплитуда превышает амплитуду первой измеренной волны, а полярность совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения:

, (3)

где - длина контролируемой ЛЭП.

Такой способ ОМП на ЛЭП с короткой обходной связью не использует сильно затухшую волну, отраженную от места повреждения, расположенного вблизи противоположного конца контролируемой ЛЭП и, как следствие, точнее.

Рассмотрим работу предлагаемого способа более подробно при реализации его по блок-схеме на фиг. 3.

В способе используются измерения фазных напряжений и фазных токов с одной стороны ЛЭП, где - обозначение фаз. Расстояние до места повреждения определяют путем выполнения следующих операций.

1. В блоке 1 фазные токи в месте измерений линейно преобразуют в промежуточный сигнал по одному из правил преобразования Кларк [Alekseev V. Invariance of Modal Transformations of Electrical Values in Traveling Wave Fault Locator / V. Alekseev, V. Petrov and V. Naumov // 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). P. 1-5 - doi: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111912]. Примем для определенности, что преобразованный таким образом сигнал характеризует один из воздушных волновых каналов, т.е.

. (4)

2. В промежуточном сигнале фильтром 2 заграждают основную гармонику и получают контролируемый сигнал , содержащий измеренные волны. При этом в качестве фильтра 2 обычно используют цифровой дифференциатор:

где - номер отсчета,

- целое число, например, .

Выбор дифференциатора объясняется тем, что скорость изменения основной гармоники несравнимо ниже скорости приращения фронта волны. Поэтому он подавляет основную гармонику и подчеркивает волны.

3. В блоке 3 на основе контролируемого сигнала фиксируют моменты прихода волн к месту измерений. В простейшем случае их фиксируют как моменты превышения абсолютным значением контролируемого сигнала некоторого порога [E. O. Schweitzer, A. Guzmán, M. V. Mynam, V. Skendzic, B. Kasztenny and S. Marx, "Locating faults by the traveling waves they launch,"2014 67th Annual Conference for Protective Relay Engineers, 2014, pp. 95-110].

4. В блоке 4 на основе контролируемого сигнала определяют полярности измеренных волн, отождествляя их со знаками контролируемого сигнала в моменты . Причем знак контролируемого сигнала определяют общеизвестным способом - путем сравнения его с нулем.

5. В блоке 5 на основе контролируемого сигнала определяют амплитуды измеренных волн, за которые принимают максимальные значения контролируемого сигнала , взятого по модулю, на отрезках превышения им упомянутого порога.

6. В блоке 6 на основе фазных токов и фазных напряжений в месте измерений, а также удельных параметров контролируемой ЛЭП оценивают предаварийные напряжения фаз , , в ориентировочном месте повреждения , определенном другим способом:

,

где и - удельные активное сопротивление и индуктивность прямой последовательности контролируемой ЛЭП.

7. В блоке 7 предаварийные напряжения фаз , , в ориентировочном месте повреждения линейно преобразуют во вспомогательный сигнал путем применения упомянутого модального преобразования (4).

8. В блоке 8 определяют знак вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения , за который принимают момент, опережающий момент прихода первой волны к месту измерений на время пробега волной по контролируемой ЛЭП от ориентировочного места повреждения до места измерений:

.

9. В блоке 9 сравнивают полярность первой измеренной волны со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения и если они совпадают, то формируют дискретный сигнал , равный логической единице. Это свидетельствует о том, что первой к месту измерений пришла волна с контролируемой ЛЭП.

Если же полярность первой измеренной волны не совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, то дискретный сигнал принимает значение логического нуля. Это, в свою очередь, свидетельствует о том, что первой к месту измерений пришла волна с обходной связи.

10. В случае, когда к месту измерений пришла волна с контролируемой ЛЭП, в блоке 10 на заданном отрезке времени после момента прихода первой волны к месту измерений отбирают моменты прихода рабочих волн, причем если эквивалентное волновое сопротивление ЛЭП, примыкающих со стороны места измерений к контролируемой ЛЭП, меньше ее волнового сопротивления , то за рабочие волны принимают измеренные волны, полярности которых совпадают с полярностью первой измеренной волны , иначе - измеренные волны, полярности которых противоположны полярности первой измеренной волны .

11. В блоке 11 по моментам прихода рабочих волн определяют предполагаемые места повреждения как расстояние, которое пробегает волна по контролируемой ЛЭП за время, равное половине длительности интервала между моментами прихода первой и рабочей волн к месту измерений, и в блоке 12 выбирают за место повреждения то из предполагаемых мест на контролируемой ЛЭП , которое ближе к ориентировочному месту повреждения , определенному другим способом.

Выше описанный принцип функционирования предлагаемого способа схож с работой прототипа, поэтому для случая на фиг. 1 ими будет определено, что первой к месту измерений приходит волна с контролируемой ЛЭП, т.е. момент прихода к месту измерений первой волны , a момент прихода рабочей волны . При этом предполагаемое место повреждения будет определено в блоке 11 с высокой точностью на основе формулы (1). Оно же будет выбрано за место повреждения в блоке 12.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что в случае, когда первой к месту измерений приходит волна с обходной связи (т.е. для случая на фиг. 2), чему свидетельствует дискретный сигнал , принявший значение логического нуля, в блоке 13, фиг. 3 по формуле (2) оценивают момент прихода первой волны к противоположному концу контролируемой ЛЭП как момент, опережающий момент ее прихода к месту измерений на время пробега волной по обходной связи . Вместе с этим в блоке 14 выявляют момент прихода к месту измерений первой волны с контролируемой ЛЭП, за которую принимают волну, следующую за первой измеренной волной, чья амплитуда превышает амплитуду первой измеренной волны, а полярность совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения. При этом в блоке 12 место повреждения уже определяют по-другому - по формуле (3). Таким образом повышается точность одностороннего волнового ОМП на ЛЭП с короткой обходной связью.

Изобретение относится к измерениям в области электроэнергетики и предназначено для определения места повреждения линии электропередачи с обходной связью. Технический результат - повышение точности одностороннего волнового определения места повреждения (ОМП) на линии электропередачи (ЛЭП) с короткой обходной связью. Сущность: фазные токи в месте измерений линейно преобразуют в контролируемый сигнал путем применения модального преобразования с последующим заграждением основной гармоники, фиксируют на его основе моменты прихода волн к месту измерений и определяют амплитуды и полярности измеренных волн. На основе фазных токов и фазных напряжений в месте измерений, а также удельных параметров контролируемой ЛЭП оценивают предаварийные напряжения фаз в ориентировочном месте повреждения, определенном другим способом, и линейно преобразуют их во вспомогательный сигнал путем применения упомянутого модального преобразования. Определяют знак вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, за который принимают момент, опережающий момент прихода первой волны к месту измерений на время пробега волной по контролируемой ЛЭП от ориентировочного места повреждения до места измерений, и если полярность первой измеренной волны совпадает с ним, то место повреждения определяют на основе момента прихода к месту измерений волны, отраженной от места повреждения. Иначе оценивают момент прихода первой волны к противоположному концу контролируемой ЛЭП и за место повреждения принимают место, удаленное от середины контролируемой линии электропередачи на расстояние, которое пробегает волна по ней за время, равное половине длительности интервала между упомянутой оценкой момента прихода первой волны к противоположному концу контролируемой ЛЭП и моментом прихода к месту измерений следующей за первой измеренной волны, чья амплитуда превышает амплитуду первой измеренной волны, а полярность совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения. 3 ил.

Способ одностороннего волнового определения места повреждения линии электропередачи с обходной связью, согласно которому фазные токи в месте измерений линейно преобразуют в контролируемый сигнал путем применения модального преобразования с последующим заграждением основной гармоники, фиксируют на его основе моменты прихода волн к месту измерений и определяют амплитуды и полярности измеренных волн, на основе фазных токов и фазных напряжений в месте измерений, а также удельных параметров контролируемой линии электропередачи оценивают предаварийные напряжения фаз в ориентировочном месте повреждения, определенном другим способом, и линейно преобразуют их во вспомогательный сигнал путем применения упомянутого модального преобразования, определяют знак вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, за который принимают момент, опережающий момент прихода первой волны к месту измерений на время пробега волной по контролируемой линии электропередачи от ориентировочного места повреждения до места измерений, и если полярность первой измеренной волны совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, то на заданном отрезке времени после момента прихода первой волны к месту измерений отбирают моменты прихода рабочих волн, причем если эквивалентное волновое сопротивление линий электропередачи, примыкающих со стороны места измерений к контролируемой линии электропередачи, меньше ее волнового сопротивления, то за рабочие волны принимают измеренные волны, полярности которых совпадают с полярностью первой измеренной волны, иначе – измеренные волны, полярности которых противоположны полярности первой измеренной волны, по моментам прихода рабочих волн определяют предполагаемые места повреждения как расстояние, которое пробегает волна по контролируемой линии электропередачи за время, равное половине длительности интервала между моментами прихода первой и рабочей волн к месту измерений, и выбирают за место повреждения то из предполагаемых мест на контролируемой линии электропередачи, которое ближе к ориентировочному месту повреждения, определенному другим способом, отличающийся тем, что если полярность первой измеренной волны не совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения, то оценивают момент прихода первой волны к противоположному концу контролируемой линии электропередачи как момент, опережающий момент ее прихода к месту измерений на время пробега волной по обходной связи, и за место повреждения принимают место, удаленное от середины контролируемой линии электропередачи на расстояние, которое пробегает волна по ней за время, равное половине длительности интервала между упомянутой оценкой момента прихода первой волны к противоположному концу контролируемой линии электропередачи и моментом прихода к месту измерений следующей за первой измеренной волны, чья амплитуда превышает амплитуду первой измеренной волны, а полярность совпадает со знаком вспомогательного сигнала в момент возникновения повреждения.