Способ двухстороннего волнового определения места однофазного короткого замыкания на линии электропередачи с ответвлениями 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 однофазного короткого замыкания (КЗ) на линии электропередачи (ЛЭП) с ответвлениями.

Известен способ определения места однофазного КЗ на ЛЭП с ответвлением (патент RU 2807951 C1, дата публикации: 21.11.2023), согласно которому расстояние до места повреждения оценивают как длину пути, при прохождении которого волна земляного волнового канала отстает от волны междуфазного волнового канала на время, равное величине отрезка времени между моментами прихода к устройству первичных волн от места повреждения по упомянутым волновым каналам. При этом учитывают скорости распространения волн на участках ЛЭП, которые пробегают волны от места повреждения до места установки устройств.

Поскольку волны земляного волнового канала подвержены значительному затуханию, на длинной ЛЭП с ответвлениями способ может не определить место однофазного КЗ.

Также известен способ двухстороннего волнового определения места однофазного КЗ на ЛЭП (патент RU 2774050 C1, дата публикации: 14.06.2022), согласно которому место однофазного КЗ определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам ЛЭП. В каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи и линейно преобразуют их в сигнал волнового процесса путем применения одного из модальных преобразований с последующим заграждением основной гармоники. Дискриминатором фиксируют момент прихода первичной волны к устройству, за который принимают момент первого превышения абсолютным значением сигнала волнового процесса заданного порога. Через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и оценивают длительность интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам. Расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП определяют на основе скорости распространения волны в ней и длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам.

Если однофазное КЗ произойдет в одном из ответвлений ЛЭП, рассматриваемый способ не определит расстояние до него.

Этот способ является наиболее близким к заявленному 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 однофазного КЗ на ЛЭП с ответвлениями.

С этой целью в известный способ двухстороннего волнового определения места однофазного КЗ на ЛЭП с ответвлениями, согласно которому место однофазного КЗ определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам ЛЭП, в каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи и линейно преобразуют их в сигнал волнового процесса путем применения одного из модальных преобразований с последующим заграждением основной гармоники, дискриминатором фиксируют момент прихода первичной волны к устройству, за который принимают момент первого превышения абсолютным значением сигнала волнового процесса заданного порога, через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и оценивают длительность интервала между моментами прихода первичных волн к устройствами, расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП определяют на основе скорости распространения волны в ней и длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, вводят новые операции. Их сущность заключается в том, что в каждом устройстве сравнивают расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП с расстояниями до ее ответвлений и если оно не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений, то принимают его за истинное. Иначе принимают за поврежденное то из ответвлений, расстояние до которого равно расстоянию до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП, и по сигналу волнового процесса упомянутым способом фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству. Определяют амплитуды волн, следующих за первичной, за которые принимают максимальные значения сигнала волнового процесса, взятого по модулю, на отрезках превышения им упомянутого заданного порога. Через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему волн, следующих за первичной, и моментом прихода первичной волны. Среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пары равных и отбирают из них интервал между моментом прихода волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны к устройству и принимают его за рабочий интервал. При этом за истинное расстояние до места однофазного КЗ принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от трансформатора в поврежденном ответвлении за половину рабочего интервала.

Фиг. 1 иллюстрирует общеизвестный принцип двухстороннего волнового определения места однофазного КЗ. Фиг. 2 поясняет работу предлагаемого способа, когда однофазное КЗ располагается в ответвлении ЛЭП. На фиг. 3 приведена блок-схема, реализующая предлагаемый способ.

Перед пояснением сути предлагаемого способа рассмотрим общеизвестный принцип двухстороннего волнового определения места однофазного КЗ. Для этого воспользуемся схемой электрической сети, включающей контролируемую синхронизированными устройствами и ЛЭП с двумя ответвлениями и (фиг. 1). Изложение принципа действия предлагаемого способа и прототипа будем вести на примере работы устройства . Работа устройства будет аналогична.

Известно, что при возникновении однофазного КЗ на ЛЭП в месте возникают первичные волны тока (далее – волны) междуфазного волнового канала. Для наглядности дальнейших пояснений затухание волн в междуфазном волновом канале не учитывается.

Первичные волны междуфазного волнового канала распространяются по ЛЭП со скоростью и в моменты и достигают места установки устройств и , соответственно (фиг. 1). Через каналы передачи информации устройство получает от устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и определяет расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ как

, (1)

где – длина ЛЭП;

– длительность интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам и .

И прототип и предлагаемый способ действуют по формуле (1), когда однофазное КЗ располагается на ЛЭП. Поэтому для случая на фиг. 1 расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ будет совпадать с .

Теперь рассмотрим случай, когда однофазное КЗ возникает в одном из ответвлений ЛЭП (в ответвлении на фиг. 2). При этом одна из первичных волн направляется к месту присоединения поврежденного ответвления к ЛЭП, а другая – к трансформатору в конце поврежденного ответвления, причем их амплитуды в момент возникновения однофазного КЗ равны.

Для определенности и наглядности дальнейших пояснений примем, что волновые сопротивления ЛЭП и ее ответвлений равны. Данное допущение обосновано тем, что геометрические параметры опор ЛЭП одного класса напряжения отличаются незначительно.

Первичная волна, направляющаяся к месту присоединения поврежденного ответвления к ЛЭП, преломляется через него и, разделившись надвое, достигает в моменты и места установки устройств и , соответственно. Помимо этого, рассматриваемая первичная волна отражается от упомянутого места присоединения поврежденного ответвления к ЛЭП и направляется обратно к месту однофазного КЗ (фиг. 2). Причем амплитуда отраженной волны, направляющейся к месту однофазного КЗ, будет равна:

где – волновое сопротивление ЛЭП и ее ответвлений,

– амплитуда первичной волны.

Когда рассматриваемая волна достигает места однофазного КЗ, она отражается от него. Амплитуда волны, отраженной от места однофазного КЗ, будет тем меньше, чем больше его переходное сопротивление [Федоров, А.О. Одностороннее волновое определение места повреждения на основе сверточной нейронной сети / А.О. Федоров, В.С. Петров, А.А. Ильин // Релейная защита и автоматизация. – 2023. – № 3 (52). – С. 48-53]. При металлическом однофазном КЗ можно принять, что:

Волна, отраженная от места однофазного КЗ с амплитудой , прибудет к месту присоединения поврежденного ответвления к ЛЭП через интервал длительностью . Там она разделится надвое и достигнет устройств и в моменты и , соответственно (фиг. 2). Причем длительность интервала между моментами и будет равна как длительности интервала между моментами и , так и упомянутой длительности интервала, то есть .

Первичная волна, направляющаяся к трансформатору в конце поврежденного ответвления , целиком отразится от него. Это связано с тем, что волновое сопротивление трансформатора на порядок выше волнового сопротивления ответвления [Попов, И. Н. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов / И. Н. Попов, В. Ф. Лачугин, Г. В. Соколова. – Москва : Энергоатомиздат, 1986. – 248 с. – Текст : непосредственный].

Волна, отраженная от трансформатора в конце поврежденного ответвления , прибудет к месту однофазного КЗ с амплитудой и преломится через него. Амплитуда волны, преломленной через место однофазного КЗ, будет тем выше, чем больше его переходное сопротивление [Федоров, А.О. Одностороннее волновое определение места повреждения на основе сверточной нейронной сети / А.О. Федоров, В.С. Петров, А.А. Ильин // Релейная защита и автоматизация. – 2023. – № 3 (52). – С. 48-53]. При металлическом однофазном КЗ можно принять, что:

Волна, преломленная через место однофазного КЗ с амплитудой , прибудет к месту присоединения поврежденного ответвления к ЛЭП через интервал длительностью . Там она разделится надвое и достигнет устройств и в моменты и , соответственно (фиг. 2). Причем длительность интервала между моментами и будет равна как длительности интервала , так и упомянутой длительности интервала, то есть .

Из выше изложенного следует, что, во-первых, длительности интервалов между моментами прихода волн, следующих за первичной волной из поврежденного ответвления, и моментом прихода первичной волны к устройству равны соответствующим длительностям интервалов со стороны устройства (и на фиг. 2). Во-вторых, из всех волн, следующих за первичной волной из поврежденного ответвления, наибольшую амплитуду имеет волна, отраженная от трансформатора в конце поврежденного ответвления и преломленная через место однофазного КЗ (ее амплитуда больше амплитуды волны, отраженной от места однофазного КЗ, и амплитуд всех других волн, приходящих из поврежденного ответвления при последующих отражениях в нем). Причем соответствующая ей упомянутая длительность интервала напрямую характеризует расстояние от трансформатора в поврежденном ответвлении до места однофазного КЗ. Как будет пояснено далее, именно на двух этих свойствах основана работа предлагаемого способа.

Прототип действует по формуле (1), когда однофазное КЗ располагается в одном из ответвлений ЛЭП (фиг. 2). Поэтому он ошибочно примет в качестве предполагаемого места однофазного КЗ место присоединения поврежденного ответвления к ЛЭП.

Предлагаемый способ не имеет упомянутого недостатка благодаря тому, что в устройстве сравнивают расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП с расстояниями до ее ответвлений и если оно не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений, то принимают его за истинное. Иначе принимают за поврежденное то из ответвлений, расстояние до которого равно расстоянию до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП . После чего фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству . Таким образом будут зафиксированы моменты и и определены соответствующие им длительности интервалов и (фиг. 2). Далее устройство определяет амплитуды волн, следующих за первичной, и через каналы передачи информации получает от устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему волн, следующих за первичной, и моментом прихода первичной волны. Среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пары равных (и ) и отбирают из них интервал между моментом прихода волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны к устройству и принимают его за рабочий интервал. Учитывая, что на подходе к месту присоединения поврежденного ответвления амплитуда волны, отраженной от трансформатора на его конце, больше амплитуды волны, отраженной от места однофазного КЗ, а их дальнейший путь до устройства идентичен, за рабочий интервал будет принят интервал длительностью . При этом за истинное расстояние до места однофазного КЗ устройство принимает расстояние от места присоединения поврежденного ответвления к ЛЭП до места в нем, до которого добежит волна от трансформатора в поврежденном ответвлении за половину рабочего интервала. Указанное может быть представлено формулой:

, (2)

где и – длина поврежденного ответвления и скорость распространения волны в нем.

Рассмотрим работу предлагаемого способа более подробно при реализации его по блок-схеме на фиг. 3. Как и ранее, пояснения будем вести на примере устройства .

Устройство измеряет фазные токи , где – обозначение фаз, и определяет расстояние до места однофазного КЗ путем выполнения следующих операций.

1. В блоке 1 фазные токи в месте измерений линейно преобразуют в промежуточный сигнал по одному из правил модального преобразования [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 междуфазных волновых каналов, т.е.

.

2. В промежуточном сигнале фильтром 2 заграждают основную гармонику и получают сигнал волнового процесса . 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. Дискриминатором 3 фиксируют момент прихода первичной волны к устройству , за который принимают момент первого превышения абсолютным значением сигнала волнового процесса заданного 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. Через каналы передачи информации получают от устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и оценивают длительность интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, на основе которого в блоке 4 по формуле (1) определяют расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ.

5. В блоке 5 сравнивают расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП с расстояниями до ее ответвлений и – и , соответственно. Если оно не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений, то в блоке 10 принимают его за истинное (за место для случая на фиг. 1). Иначе принимают за поврежденное то из ответвлений, расстояние до которого равно расстоянию до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП. Причем уровень сигнала на выходе блока 5 характеризует номер поврежденного ответвления.

6. В блоке 6 в случае, когда однофазное КЗ располагается в одном из ответвлений ЛЭП, по сигналу волнового процесса фиксируют вышеупомянутым образом моменты прихода волн, следующих за первичной. Для случая на фиг. 2 , а .

7. В блоке 7 оценивают длительности интервалов между моментами прихода волн, следующих за первичной, и моментом прихода к устройству первичной волны. Для случая на фиг. 2 , а .

8. В блоке 8 определяют амплитуды волн, следующих за первичной, за которые принимают максимальные значения сигнала волнового процесса , взятого по модулю, на отрезках превышения им упомянутого заданного порога. Для случая на фиг. 2 , а .

9. Через каналы передачи информации устройство получает от устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему волн, следующих за первичной, и моментом прихода первичной волны. В результате устройство получит от устройства и длительности интервала и .

Cреди упомянутых длительностей интервалов двух устройств в блоке 9 выявляют пары равных и и отбирают из них интервал между моментом прихода волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны к устройству и принимают его за рабочий интервал. Для случая на фиг. 2 в качестве рабочего интервала будет принят интервал длительностью , поскольку амплитуда волны, пришедшей к устройству в момент будет больше амплитуды волны, пришедшей в момент .

10. В блоке 10 за истинное расстояние до места однофазного КЗ по формуле (2) принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от трансформатора в поврежденном ответвлении за половину рабочего интервала . Причем поврежденное ответвление идентифицируют по уровню упомянутого сигнала .

Таким образом, благодаря определению интервала, за который волна пробегает удвоенное расстояние от трансформатора в конце поврежденного ответвления до места однофазного КЗ в нем, удается повысить точность ОМП.

Изобретение относится к измерениям в области электротехники. Технический результат – повышение точности определения расстояния до места однофазного короткого замыкания (КЗ) на линии электропередачи (ЛЭП) с ответвлениями. Сущность: в каждом из двух устройств, установленных по концам ЛЭП, на основе длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам определяют расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП и сравнивают его с расстояниями до ответвлений. Если расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений, то принимают его за истинное. Иначе принимают за поврежденное то из ответвлений, расстояние до которого равно расстоянию до упомянутого предполагаемого места однофазного КЗ, и фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству. Через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему волн, следующих за первичной, и моментом прихода первичной волны. Среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пары равных и отбирают из них интервал между моментом прихода волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны к устройству и принимают его за рабочий интервал. При этом за истинное расстояние до места однофазного КЗ принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от трансформатора в поврежденном ответвлении за половину рабочего интервала. 3 ил.

Способ двухстороннего волнового определения места однофазного короткого замыкания на линии электропередачи с ответвлениями, согласно которому место однофазного короткого замыкания определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам линии электропередачи, в каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи и линейно преобразуют их в сигнал волнового процесса путем применения одного из модальных преобразований с последующим заграждением основной гармоники, дискриминатором фиксируют момент прихода первичной волны к устройству, за который принимают момент первого превышения абсолютным значением сигнала волнового процесса заданного порога, через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему и оценивают длительность интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, расстояние до предполагаемого места однофазного короткого замыкания на линии электропередачи определяют на основе скорости распространения волны в ней и длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, отличающийся тем, что в каждом устройстве сравнивают расстояние до предполагаемого места однофазного короткого замыкания на линии электропередачи с расстояниями до ее ответвлений, и если оно не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений, то принимают его за истинное, иначе принимают за поврежденное то из ответвлений, расстояние до которого равно расстоянию до предполагаемого места однофазного короткого замыкания на линии электропередачи, по сигналу волнового процесса фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству, определяют амплитуды волн, следующих за первичной, за которые принимают максимальные значения сигнала волнового процесса, взятого по модулю, на отрезках превышения им упомянутого заданного порога, через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему волн, следующих за первичной, и моментом прихода первичной волны, среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пары равных и отбирают из них интервал между моментом прихода волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны к устройству и принимают его за рабочий интервал, при этом за истинное расстояние до места однофазного короткого замыкания принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от трансформатора в поврежденном ответвлении за половину рабочего интервала.