Способ двухстороннего волнового определения места междуфазного повреждения 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 повреждения (ОМП) на линии электропередачи (ЛЭП) с ответвлениями.

Известен способ двухстороннего волнового ОМП на ЛЭП (патент РФ № 2774050, дата публикации: 14.06.2022), согласно которому место междуфазного повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам ЛЭП. В каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или фазные напряжения 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 междуфазного повреждения на ЛЭП определяют общеизвестным двухсторонним волновым способом на основе скорости распространения волны в ней и длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам.

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

Также известен способ двухстороннего волнового определения места междуфазного повреждения на ЛЭП с ответвлениями (патент РФ № 2824724, дата публикации: 13.08.2024), согласно которому вышеописанным способом определяют расстояние до предполагаемого места междуфазного повреждения, 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 междуфазного повреждения на ЛЭП, и по сигналу волнового процесса фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, отбирают среди них моменты прихода рабочих волн и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству. Причем за рабочие волны принимают все волны, следующие за первичной волной. Через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему рабочих волн и моментом прихода первичной волны. Среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пару равных и за истинное расстояние до места междуфазного повреждения принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от места его присоединения к ЛЭП за половину длительности интервала упомянутой выявленной пары.

При некоторых конфигурациях ЛЭП, например, когда ответвления расположены близко, длительности интервалов между моментами прихода рабочих волн и моментом прихода первичной волны в устройствах, установленных по концам ЛЭП, могут быть равны, но не соответствовать расстоянию до места междуфазного повреждения в ответвлении. В этом случае рассматриваемый способ определит место междуфазного повреждения 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 междуфазного повреждения на ЛЭП с ответвлениями.

С этой целью в известный способ двухстороннего волнового определения места междуфазного повреждения на ЛЭП с ответвлениями, согласно которому место междуфазного повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам ЛЭП, в каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или фазные напряжения 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 междуфазного повреждения на ЛЭП общеизвестным двухсторонним волновым способом на основе скорости распространения волны в ней и длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, сравнивают расстояние до предполагаемого места междуфазного повреждения 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 междуфазного повреждения на линии электропередачи, и по сигналу волнового процесса фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, отбирают среди них моменты прихода рабочих волн и 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 рабочих волн и моментом прихода первичной волны, среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пару равных и за истинное расстояние до места междуфазного повреждения принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от места его присоединения к ЛЭП за половину длительности интервала упомянутой выявленной пары, вводят новые операции. Их сущность заключается в том, что в каждом устройстве по сигналу волнового процесса компаратором определяют полярность первичной волны и полярности волн, следующих за ней, при этом за рабочие волны принимают те из них, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны, а момент прихода отстоит от момента прихода первичной волны на время, не превышающее времени пробега волной удвоенной длины поврежденного ответвления.

Фиг. 1 иллюстрирует известный принцип двухстороннего волнового определения места междуфазного повреждения 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 междуфазного повреждения на ЛЭП с ответвлениями (патент РФ № 2824724, дата публикации: 13.08.2024). Для этого воспользуемся схемой электрической сети, включающей контролируемую синхронизированными устройствами $$F{L}_L$$ и $$F{L}_R$$ ЛЭП с ответвлением $$T$$ (фиг. 1). Изложение принципа действия будем вести на примере работы устройства $$F{L}_L$$. Работа устройства $$F{L}_R$$ будет аналогична.

При возникновении междуфазного повреждения в месте $$x_f$$, расположенном в ответвлении $$T$$, устройства $$F{L}_L$$ и $$F{L}_R$$ фиксируют моменты прихода первичных волн ($$t_1^L$$ и $$t_1^R$$ на фиг. 1) и определяют расстояние до предполагаемого места междуфазного повреждения на ЛЭП общеизвестным двухсторонним волновым способом:

$$x_s=\frac{LL}{2}-\frac{\Delta }{2}{v}_l$$ ,(1)

где $$LL$$и $$v_l$$ – длина ЛЭП и скорость распространения волны в ней;

$$\Delta =t_1^R-t_1^L$$ – длительность интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам $$F{L}_R$$ и $$F{L}_L$$.

Поскольку междуфазное повреждение располагается в ответвлении $$T$$, то расстояние $$x_s$$ до предполагаемого места междуфазного повреждения совпадет с расстоянием до упомянутого ответвления. При этом ответвление $$T$$ считают поврежденным и фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, отбирают среди них моменты прихода рабочих волн и оценивают длительности интервалов между ними и моментом прихода первичной волны к устройству. Причем за рабочие волны принимают все волны, следующие за первичной волной. Для случая на фиг. 1 устройство $$F{L}_L$$ таким образом зафиксирует момент $$t_r^L$$ и определит длительность интервала $${\Delta }_1^L=t_r^L-t_1^L$$, а устройство $$F{L}_R$$ зафиксирует момент $$t_r^R$$ и определит длительность интервала $${\Delta }_1^R=t_r^R-t_1^R$$. Причем упомянутые длительности интервалов $${\Delta }_1^L$$ и $${\Delta }_1^R$$ будут равны длительности интервала $${\Delta }_r$$, величина которого равна времени двойного пробега волной расстояния от места повреждения до места присоединения ответвления $$T$$ к ЛЭП, то есть $${\Delta }_1^L={\Delta }_1^R={\Delta }_r$$ (фиг. 1). Именно на этом свойстве основана работа известного способа: устройство $$F{L}_L$$ через каналы передачи информации получает от устройства $$F{L}_R$$ длительность интервала $${\Delta }_1^R$$ и, определив, что она равна длительности интервала $${\Delta }_1^L$$, за истинное расстояние до места междуфазного повреждения принимает расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от места его присоединения к ЛЭП за половину длительности интервала выявленной равной пары:

$$x_f=\frac{{\Delta }_r}{2}{v}_t$$ ,(2)

где $$v_t$$ – скорость распространения волны в поврежденном ответвлении.

При некоторых конфигурациях ЛЭП, например, когда два ответвления расположены близко (ответвления $$T1$$ и $$T2$$ на фиг. 2), длительности интервалов между моментами прихода рабочих волн и моментом прихода первичной волны в устройствах $$F{L}_L$$ и $$F{L}_R$$ могут быть равны, но не соответствовать расстоянию до места междуфазного повреждения в ответвлении ЛЭП. Так, например, для случая на фиг. 2 длительность интервала $${\Delta }_0^L=t_s^L-t_1^L$$ между моментами $$t_s^L$$ и $$t_1^L$$ будет равна длительности интервала $${\Delta }_0^R=t_s^R-t_1^R$$ между моментами $$t_s^R$$ и $$t_1^R$$, а также длительности интервала $${\Delta }_s$$, величина которого равна времени двойного пробега волной расстояния между ответвлениями $$T1$$ и $$T2$$, то есть $${\Delta }_0^L={\Delta }_0^R={\Delta }_s$$. На основе длительности интервала данной равной пары место междуфазного повреждения в ответвлении $$T2$$ будет определено известным способом неправильно.

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 рабочие волны принимают те из них, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны. Такой принцип выбора рабочих волн основан на той режимной особенности, что всякий раз, когда волна отражается от места присоединения ответвления к ЛЭП или от места междуфазного повреждения, она меняет свою полярность. Поэтому полярность волны, отраженной сначала от места присоединения поврежденного ответвления к ЛЭП, а затем от места междуфазного повреждения, будет совпадать с полярностью первичной волны. Для наглядности пояснений принято, что полярности первичных волн, возникших в месте междуфазного повреждения и пришедших к устройствам $$F{L}_L$$ и $$F{L}_R$$ в моменты $$t_1^L$$ и $$t_1^R$$, положительны (отмечены знаком «+» на фиг. 2). Поэтому полярности волн, пришедших к устройствам $$F{L}_L$$ и $$F{L}_R$$ в моменты $$t_r^L$$ и $$t_r^R$$, также будут положительными. Вместе с этим из фиг. 2 видно, что волна, пришедшая к устройству $$F{L}_R$$ в момент $$t_s^R$$, имеет отрицательную полярность, поскольку она претерпела одно отражение (в месте присоединения ответвления $$T1$$ к ЛЭП). Поэтому этот момент не будет отобран предлагаемым способом в качестве момента прихода рабочей волны, следовательно, не будет и определена длительность интервала $${\Delta }_0^R$$ в устройстве $$F{L}_R$$. В конечном итоге предлагаемый способ выявит лишь одну пару равных длительностей интервалов ($${\Delta }_1^L={\Delta }_1^R={\Delta }_r$$) и правильно определит место междуфазного повреждения в ответвлении ЛЭП по формуле (2).

При вышеизложенных пояснениях не учитывалось распространение первичной волны, направляющейся к концу поврежденного ответвления (фиг. 1 и фиг. 2). Дело в том, что переходное сопротивление при междуфазных повреждениях в подавляющем большинстве случаев не превышает 10 Ом, в связи с чем упомянутая волна при преломлении через место междуфазного повреждения значительно уменьшится до уровня, недоступного для измерения устройствами $$F{L}_L$$ и $$F{L}_R$$ (патент РФ № 2824724, дата публикации: 13.08.2024).

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

В способе могут использоваться как измерения фазных токов, так и фазных напряжений. Для определенности примем, что устройство $$F{L}_L$$ измеряет фазные токи $$i_{\gamma }$$, где $$\gamma =\overline{A,B,C}$$ – обозначение фаз. Расстояние до места повреждения $$x_f$$ определяют путем выполнения следующих операций.

1. В блоке 1 фазные токи в месте измерений $$i_{\gamma }$$ линейно преобразуют в промежуточный сигнал $$i_m$$ 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.

$$i_m=\frac{1}{\sqrt{3}}\left(i_B-i_C\right)$$ .

2. В промежуточном сигнале $$i_m$$ фильтром 2 заграждают основную гармонику и получают сигнал волнового процесса $$d{i}_m$$. При этом в качестве фильтра 2 обычно используют цифровой дифференциатор:

$$d{i}_m\left(k\right)=i_m\left(k\right)-i_m\left(k-N\right),$$

где $$k$$ – номер отсчета,

$$N$$ – целое число, например, $$N=5$$.

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 $$t_1^L$$ прихода первичной волны к устройству $$F{L}_L$$, за который принимают момент первого превышения абсолютным значением сигнала волнового процесса $$d{i}_m$$ 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 $$F{L}_R$$информацию о моменте $$t_1^R$$ прихода первичной волны к нему и оценивают длительность $$\Delta$$ интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, на основе которого в блоке 4 по формуле (1) определяют расстояние $$x_s$$ до предполагаемого места междуфазного повреждения.

5. В блоке 5 сравнивают расстояние $$x_s$$ до предполагаемого места междуфазного повреждения на ЛЭП с расстояниями до её ответвлений $$T1$$ и $$T2$$ – $$L{L}_{T1}$$ и $$L{L}_{T2}$$, соответственно. Если оно не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений, то в блоке 11 принимают его за истинное. Иначе в блоке 5 принимают за поврежденное то из ответвлений, расстояние до которого равно расстоянию $$x_s$$ до предполагаемого места междуфазного повреждения на ЛЭП, и формируют сигнал $$FT$$, уровень которого характеризует его номер. Причем уровень сигнала $$FT$$ равен нулю, когда расстояние $$x_s$$ до предполагаемого места междуфазного повреждения на ЛЭП не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений.

6. В блоке 6 в случае, когда междуфазное повреждение располагается в ответвлении, по сигналу $$d{i}_m$$ волнового процесса фиксируют вышеупомянутым образом моменты $$T_{\mathrm{m}}$$ прихода волн, следующих за первичной волной. Причем для рассматриваемого на фиг. 2 случая $${\mathrm{T}}_{\mathrm{m}\mathrm{,1}}={\mathrm{t}}_{\mathrm{s}}^L$$, а$${\mathrm{T}}_{\mathrm{m}\mathrm{,2}}={\mathrm{t}}_r^L$$.

7. По сигналу $$d{i}_m$$ волнового процесса компаратором 7 определяют полярность $$P_1^L$$ первичной волны и полярности $$P_{\mathrm{m}}$$ волн, следующих за ней. Причем за полярность волны принимают знак сигнала $$d{i}_m$$ волнового процесса в момент её прихода к устройству.

8. В блоке 8 определяют рабочие волны. За них принимают те волны, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны $$P_1^L$$, а момент прихода отстоит от момента $$t_1^L$$ прихода первичной волны на время, не превышающее времени пробега волной удвоенной длины $$L{L}_{T2}$$ поврежденного ответвления. Это позволяет исключить из дальнейшего рассмотрения те волны, которые приходят к устройству позже, чем волна, которая пришла бы после отраженная от места повреждения в конце ответвления. Номера рабочих волн, определенные блоком 8, передаются в блок 9 в виде массива $$W$$.

Таким образом, для случая на фиг. 2 устройство $$F{L}_L$$ за рабочие волны примет волны, пришедшие в моменты $${\mathrm{t}}_{\mathrm{s}}^L$$ и $${\mathrm{t}}_r^L$$, а устройство $$F{L}_R$$за рабочую волну примет волну, пришедшую в момент $${\mathrm{t}}_r^{\mathrm{R}}$$.

9. В блоке 9 оценивают длительности интервалов $$\Delta L$$ между моментами прихода к устройству $$F{L}_L$$ рабочих волн и моментом $$t_1^L$$ прихода первичной волны. Для рассматриваемого на фиг. 2 случая $$\Delta L_1={\Delta }_0^L=t_s^L-t_1^L$$, а $$\Delta L_2={\Delta }_1^L=t_r^L-t_1^L$$.

10. Через каналы передачи информации устройство $$F{L}_L$$ получает от устройства $$F{L}_R$$ информацию о длительностях интервалов $$\Delta R$$ между моментами прихода к нему рабочих волн и моментом $$t_1^R$$ прихода первичной волны. В результате устройство $$F{L}_L$$ получит от устройства $$F{L}_R$$ величину интервала $$\Delta R_1={\Delta }_1^R=t_r^R-t_1^R$$ между моментами $$t_r^R$$ и $$t_1^R$$. Среди упомянутых длительностей интервалов $${\Delta }_0^L$$, $${\Delta }_1^L$$, $${\Delta }_1^R$$ двух устройств в блоке 10 выявляют пару равных$${\Delta }_1^L={\Delta }_1^R={\Delta }_r$$ и в блоке 11 по формуле (2) за истинное расстояние $$x_f$$ до места междуфазного повреждения принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от места его присоединения к ЛЭП за половину длительности интервала упомянутой выявленной пары. Таким образом, благодаря выбору рабочих волн с учетом полярности, повышается точность ОМП.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности определения расстояния до места междуфазного повреждения на линии электропередачи (ЛЭП) с ответвлениями. Согласно предлагаемому способу место междуфазного повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам ЛЭП. В каждом устройстве по сигналу волнового процесса компаратором определяют полярность первичной волны и полярности волн, следующих за ней, при этом за рабочие волны принимают те из них, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны, а момент прихода отстоит от момента прихода первичной волны на время, не превышающее времени пробега волной удвоенной длины поврежденного ответвления. Получают информацию о длительностях интервалов между моментами прихода к нему рабочих волн и моментом прихода первичной волны и среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пару равных. За истинное расстояние до места междуфазного повреждения принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от места его присоединения к ЛЭП за половину длительности интервала упомянутой выявленной пары. 3 ил.

Способ двухстороннего волнового определения места междуфазного повреждения на линии электропередачи с ответвлениями, согласно которому место междуфазного повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам 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 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 междуфазного повреждения на линии электропередачи общеизвестным двухсторонним волновым способом на основе скорости распространения волны в ней и длительности интервала между моментами прихода первичных волн к устройствам, сравнивают расстояние до предполагаемого места междуфазного повреждения на линии электропередачи с расстояниями до ее ответвлений и, если оно не равно расстоянию до какого-либо из ответвлений, принимают его за истинное, иначе принимают за поврежденное то из ответвлений, расстояние до которого равно расстоянию до предполагаемого места междуфазного повреждения на линии электропередачи, и по сигналу волнового процесса фиксируют моменты прихода волн, следующих за первичной, отбирают среди них моменты прихода рабочих волн и 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 рабочих волн и моментом прихода первичной волны, среди упомянутых длительностей интервалов двух устройств выявляют пару равных и за истинное расстояние до места междуфазного повреждения принимают расстояние до места в поврежденном ответвлении, до которого добежит волна от места его присоединения к линии электропередачи за половину длительности интервала упомянутой выявленной пары, отличающийся тем, что в каждом устройстве по сигналу волнового процесса компаратором определяют полярность первичной волны и полярности волн, следующих за ней, при этом за рабочие волны принимают те из них, полярность которых совпадает с полярностью первичной волны, а момент прихода отстоит от момента прихода первичной волны на время, не превышающее времени пробега волной удвоенной длины поврежденного ответвления.