Способ двухстороннего волнового определения места однофазного короткого замыкания на линии электропередачи с ответвлениями Российский патент 2025 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 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.

Также известен способ двухстороннего волнового определения места однофазного КЗ на ЛЭП с ответвлениями (патент RU 2824729 C1, дата публикации: 13.08.2024), согласно которому вышеописанным способом определяют расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ, сравнивают его с расстояниями до ответвлений на ЛЭП 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. По сигналу волнового процесса фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, отбирают среди них моменты прихода отслеживаемых волн и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству. Причем за отслеживаемые волны принимают все волны, следующие за первичной волной. Определяют амплитуды отслеживаемых волн и через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему отслеживаемых волн и моментом прихода первичной волны. Среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пары равных и отбирают из них интервал между моментом прихода отслеживаемой 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.

При некоторых конфигурациях ЛЭП, например, когда ответвления расположены близко, длительность интервала между моментом прихода отслеживаемой волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны в устройствах, установленных по концам ЛЭП, могут быть равны, но не соответствовать расстоянию от трансформатора в поврежденном ответвлении до места однофазного КЗ. В этом случае рассматриваемый способ определит место однофазного КЗ в ответвлении неправильно.

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 устройствам, определяют расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП на основе скорости распространения волны в ней и длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, 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, отбирают среди них моменты прихода отслеживаемых волн и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству, определяют амплитуды отслеживаемых волн как 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 отслеживаемых волн и моментом прихода первичной волны, среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пары равных и отбирают из них интервал между моментом прихода отслеживаемой 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, вводят новые операции. Их сущность заключается в том, что в каждом устройстве по сигналу волнового процесса определяют полярность первичной волны и полярности волн, следующих за ней, при этом за отслеживаемые волны принимают те из них, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны.

Фиг. 1 иллюстрирует известный принцип двухстороннего волнового определения места однофазного КЗ на ЛЭП с ответвлением. Фиг. 2 поясняет работу предлагаемого способа. На фиг. 3 приведена блок-схема, реализующая предлагаемый способ.

Перед пояснением сути предлагаемого способа рассмотрим известный принцип двухстороннего волнового определения места однофазного КЗ на ЛЭП с ответвлениями (патент RU 2824729 C1, дата публикации: 13.08.2024). Для этого воспользуемся схемой электрической сети, включающей контролируемую синхронизированными устройствами и ЛЭП с ответвлением (фиг. 1). Изложение принципа действия будем вести на примере работы устройства . Работа устройства будет аналогична.

При возникновении однофазного КЗ в месте , расположенном в ответвлении , устройства и фиксируют моменты прихода первичных волн ( и на фиг. 1) и определяют расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП общеизвестным двухсторонним волновым способом:

,(1) ,(1)

где и – длина ЛЭП и скорость распространения волны в ней;

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

Поскольку однофазное КЗ располагается в ответвлении , то расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ совпадет с расстоянием до упомянутого ответвления. При этом ответвление считают поврежденным и фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, отбирают среди них моменты прихода отслеживаемых волн и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству. Причем за отслеживаемые волны принимают все волны, следующие за первичной волной. Для случая на фиг. 1 устройство таким образом зафиксирует момент прихода волны, отраженной от места КЗ, и момент прихода волны, отраженной от трансформатора в конце поврежденного ответвления , и определит соответствующие длительности интервалов и . Устройство при этом зафиксирует соответствующие моменты и и определит длительности интервалов и Причем упомянутые длительности интервалов и будут равны длительности интервала , величина которого равна времени двойного пробега волной расстояния от места однофазного КЗ до места присоединения ответвления к ЛЭП (), а длительности интервалов и будут равны длительности интервала , величина которого равна времени двойного пробега волной расстояния от трансформатора в конце поврежденного ответвления до места однофазного КЗ ().

Через каналы передачи информации устройство получает от устройства информацию о длительностях интервалов и и выявляет равные пары и . Затем устройство определяет амплитуды отслеживаемых волн и из длительностей интервалов, образующих упомянутые пары, отбирает интервал между моментом прихода отслеживаемой волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны и принимает 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 (патент RU 2824729 C1, дата публикации: 13.08.2024), за рабочий интервал будет принят интервал длительностью . 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:

(2)

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

При некоторых конфигурациях ЛЭП, например, когда ответвления расположены близко (ответвления и на фиг. 2), длительность интервала между моментом прихода отслеживаемой волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны в устройствах, установленных по концам ЛЭП, могут быть равны, но не соответствовать расстоянию от трансформатора в поврежденном ответвлении до места однофазного КЗ. Так, например, для случая на фиг. 2 длительность интервала между моментами и будет равна длительности интервала между моментами и , а также длительности интервала , величина которого равна времени двойного пробега волной расстояния между ответвлениями и , то есть . При этом может оказаться так, что амплитуда отслеживаемой волны, пришедшей к устройству в момент , будет больше амплитуд всех других отслеживаемых волн. Из-за этого интервал длительностью будет принят за рабочий интервал, и рассматриваемый способ на основе формулы (2) неправильно определит место однофазного КЗ в поврежденном ответвлении.

Предлагаемый способ не имеет упомянутого недостатка благодаря тому, что в каждом устройстве определяют полярность первичной волны и полярности волн, следующих за ней, при этом за отслеживаемые волны принимают те из них, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны. Такой принцип выбора отслеживаемых волн основан на той режимной особенности, что всякий раз, когда волна отражается от трансформатора в конце поврежденного ответвления, она сохраняет свою полярность, а когда отражение происходит от места присоединения ответвления к ЛЭП или от места однофазного КЗ – полярность волны меняется на противоположную. Для наглядности пояснений принято, что полярности первичных волн, возникших в месте однофазного КЗ и пришедших к устройствам и в моменты и , положительны (отмечены знаком «+» на фиг. 2). Поэтому полярности волн, пришедших к устройству в моменты , , , а к устройству – в моменты , , также будут положительными. Вместе с этим из фиг. 2 видно, что волна, пришедшая к устройству в момент , имеет отрицательную полярность, поскольку она претерпела одно отражение (в месте присоединения ответвления к ЛЭП). Поэтому этот момент не будет отобран предлагаемым способом в качестве момента прихода отслеживаемой волны, следовательно, не будет и определена длительность интервала в устройстве . В конечном итоге предлагаемый способ выявит две пары равных длительностей интервалов ( и ), распознает среди них рабочий интервал и правильно определит место однофазного КЗ в ответвлении ЛЭП по формуле (2).

Рассмотрим работу предлагаемого способа более подробно при реализации его по блок-схеме на фиг. 3. Как и ранее, пояснения будем вести на примере устройства (фиг. 2).

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. Guzman, 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 которой в блоке 4 по формуле (1) определяют расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП.

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 12 принимают его за истинное, 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. Он будет равен нулю, когда расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений.

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. По сигналу волнового процесса компаратором 7 определяют полярность первичной волны и полярности волн, следующих за ней. Причем за полярность волны принимают знак сигнала волнового процесса в момент её прихода к устройству.

8. В блоке 8 определяют отслеживаемые волны: за них принимают те волны, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны . Номера отслеживаемых волн, определенные блоком 8, передаются в блок 9 и блок 10 в виде массива .

Таким образом, для случая на фиг. 2 устройство за отслеживаемые волны примет волны, пришедшие в моменты , и , а устройство – волны, пришедшие в моменты и .

9. В блоке 9 оценивают длительности интервалов между моментами прихода к устройству отслеживаемых волн и моментом прихода первичной волны. Для рассматриваемого на фиг. 2 случая , , а .

10. В блоке 10 определяют амплитуды отслеживаемых волн, за которые принимают максимальные значения сигнала волнового процесса , взятого по модулю, на отрезках превышения им упомянутого заданного порога.

11. Через каналы передачи информации устройство получает от устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему отслеживаемых волн и моментом прихода первичной волны. В результате устройство получит от устройства длительности интервалов и .

Среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств в блоке 11 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 . При этом в блоке 12 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 выбору отслеживаемых волн с учетом полярности, удается повысить точность определения расстояния до места однофазного КЗ.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение точности определения расстояния до места однофазного короткого замыкания (КЗ) на линии электропередачи (ЛЭП) с ответвлениями. Сущность: место однофазного КЗ определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам ЛЭП. В каждом устройстве измеряют фазные токи и линейно преобразуют их в сигнал волнового процесса. Фиксируют момент прихода первичной волны к устройству. Получают от другого устройства информацию о моменте прихода первичной волны к нему. Определяют расстояние до предполагаемого места однофазного КЗ на ЛЭП, которое сравнивают с расстояниями до её ответвлений. Если это расстояние 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. По сигналу волнового процесса фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, отбирают среди них моменты прихода отслеживаемых волн и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству. Определяют полярность первичной волны и полярности волн, следующих за ней. За отслеживаемые волны принимают те из них, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны. Получают от другого устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему отслеживаемых волн и моментом прихода первичной волны. Среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пары равных и отбирают из них интервал между моментом прихода отслеживаемой волны с максимальной амплитудой и моментом прихода первичной волны к устройству и принимают его за рабочий интервал. 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, определяют расстояние до предполагаемого места однофазного короткого замыкания на линии электропередачи на основе скорости распространения волны в ней и длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, 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, и по сигналу волнового процесса фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, отбирают среди них моменты прихода отслеживаемых волн и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству, определяют амплитуды отслеживаемых волн как 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 отслеживаемых волн и моментом прихода первичной волны, среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пары равных и отбирают из них интервал между моментом прихода отслеживаемой 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, отличающийся тем, что в каждом устройстве по сигналу волнового процесса определяют полярность первичной волны и полярности волн, следующих за ней, при этом за отслеживаемые волны принимают те из них, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны.