Способ определения места обрыва на воздушной линии электропередачи по массивам мгновенных значений токов и напряжений

Изобретение относится к области электротехники, а именно средствам обработки информации в электротехнике, и может быть использовано для определения места обрыва на воздушной линии электропередачи (ЛЭП).

Известен способ определения местоположения и вида повреждения на воздушной линии электропередачи [Патент на полезную модель РФ №100632 U1, МПК G01R 31/08, опубл. 20.12.2010, Бюл. №35], где с помощью конденсатора емкостью С регистрируют суммарную напряженность электрического поля Е, пропорциональную сумме фазных напряжений, а посредством катушки с ферромагнитным сердечником индуктивностью L регистрируют суммарную индукцию магнитного поля В, пропорциональную сумме линейных токов. Полученную информацию обрабатывают с помощью устройства, состоящего из последовательно соединенных усилителей и пороговых устройств, причем пороговые устройства настраиваются в соответствии с фиксированными значениями токов и напряжений, представленными авторами там же. В блоке логического сравнения осуществляется сопоставление полученной информации с пороговыми значениями, на основании которого делается вывод о наличии, виде и месторасположении повреждения.

Недостатками этого способа являются невозможность определения точного месторасположения повреждения.

Известен способ определения поврежденного участка и типа повреждения в электроэнергетической сети с разветвленной топологией [Патент на изобретение РФ №2455654, МПК G01R 31/08, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19], заключающийся в том, что производят мониторинг электрической сети расположенным на питающей сеть подстанции ведущим устройством, осуществляющим сканированием сети, предварительный сбор информации о целостности сегментов сети путем опроса ведомых устройств. Ведомые устройства, расположенные на границах сети на каждом конце линии разветвленной сети, подают высокочастотные напряжения прямой последовательности на все три фазных провода линии электропередачи, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120º, а ведущее устройство принимает и записывает трехфазное высокочастотное напряжение, получаемое ведущим устройством от каждого ведомого устройства в отдельности, при этом при совместной обработке всех записанных трехфазных высокочастотных сигналов со всех ведомых устройств определяют место обрыва фазы воздушной линии электропередачи.

Недостатком способа является то, что определяют не точное место обрыва, а лишь сегмент сети, где произошел обрыв фазы. Кроме того, не учитывают распределенность параметров линии электропередачи.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Способ определения места обрыва на воздушной линии электропередачи по массивам мгновенных значений токов и напряжений» [Патент на изобретение РФ № 2540443, МПК G01R 31/08, опубл. 10.02.2015, Бюл. №4], заключающийся в том, что в режиме обрыва измеряют массивы мгновенных значений сигналов напряжений и токов трех фаз в начале ,

и в конце

линии для одних и тех же моментов времени с дискретностью массивов мгновенных значений

где T – период сигнала напряжения/тока, N – число отсчетов на периоде T,

передают сигналы с конца линии в ее начало по каналу связи, сохраняют пары цифровых отсчетов как текущие, осуществляют сдвиг сигналов фазы B на угол 120°и фазы C на угол 240°, далее одновременно определяют массивы мгновенных значений симметричных составляющих напряжений и токов в начале и конце линии и соответствующие им векторные значения , затем определяют расстояние до места обрыва l₁ из выражения

,

где - коэффициент распространения электромагнитной волны; – коэффициент затухания электромагнитной волны; – коэффициент изменения фазы электромагнитной волны; Z_B – волновое сопротивление линии; L – длина линии.

Недостатком способа-прототипа является высокая погрешность определения расстояния до места обрыва на линии электропередачи в условиях наличия в мгновенных значениях токов и напряжений высокочастотных составляющих.

Задача изобретения состоит в повышении точности способа определения места обрыва на линии электропередачи в условиях наличия в мгновенных значениях токов и напряжений высокочастотных составляющих.

Поставленная задача достигается способом определения места обрыва на воздушной линии электропередачи по массивам мгновенных значений токов и напряжений, заключающимся в том, что в режиме обрыва измеряют массивы мгновенных значений сигналов напряжений и токов трех фаз в начале ,

и в конце

линии для одних и тех же моментов времени с дискретностью массивов мгновенных значений

где T – период сигнала напряжения/тока, N – число отсчетов на периоде T,

передают сигналы с конца линии в ее начало по каналу связи, сохраняют пары цифровых отсчетов как текущие, осуществляют сдвиг сигналов фазы B на угол 120°и фазы C на угол 240°, по массивам мгновенных значений производят вычисление комплексных составляющих токов и напряжений, входящих в расчетное выражение для расстояния до места обрыва l₁. Согласно предлагаемому способу дополнительно производят фильтрацию мгновенных значений напряжений и токов с применением дискретного преобразования Фурье и получением комплексных составляющих фазных напряжений и токов, зафиксированных в начале и конце линии, а расчет расстояния до места обрыва l₁ реализуют согласно выражению

,

где i – мнимая единица; – коэффициент распространения электромагнитной волны; – коэффициент затухания электромагнитной волны; – коэффициент изменения фазы электромагнитной волны; Z_B – волновое сопротивление линии; L – длина линии.

Предложенный способ позволяет более точно определять место обрыва за счет фильтрации посредством дискретного преобразования Фурье исходных массивов мгновенных значений фазных токов и напряжений, измеренных на обоих концах линии, а также полученного авторами нового расчетного выражения для определения места повреждения ЛЭП, что позволяет исключить влияние апериодической и высокочастотных составляющих аварийных напряжений и токов и обеспечивает повышенную точность определения места повреждения.

На фиг.1 представлена структурная схема реализации способа определения места обрыва на воздушной линии электропередачи, которая является аналогичной способу-прототипу.

В таблице 1 приведены цифровые отсчеты мгновенных значений сигналов напряжении и токов всех трех фаз в начале линии .

В таблице 2 приведены цифровые отсчеты мгновенных значений сигналов напряжений и токов всех трех фаз в конце линии .

В таблицах 3 и 4 приведены промежуточные результаты расчета места обрыва на воздушной линии электропередачи.

В таблице 5 представлены реальное, определенное предложенным способом и способом-прототипом значения расстояния до места обрыва, а также погрешность определения места обрыва (табл. 1-5 см. в конце описания).

Способ может быть осуществлен с помощью устройства для определения места обрыва на воздушной линии электропередачи, представленного на фиг.1. В начале и в конце линии электропередачи 1 (ЛЭП) установлены регистраторы аварийных событий РАС₁ и РАС₂, обозначенные соответственно на фиг.1 цифрами 2₁ и 2₂. Регистраторы аварийных событий 2₁ и 2₂ через каналы связи 3₁ и 3₂ связаны с ЭВМ 4. ЭВМ 4 с помощью коммуникационного программного обеспечения реализует сбор мгновенных значений напряжений и токов с регистраторов аварийных событий 2₁, 2₂, производит расчет требуемых комплексов напряжений и токов по мгновенным значениям, хранит значения постоянных расчетных коэффициентов, а также выполняет вычислительные операции, необходимые для определения места повреждения ЛЭП 1. Как правило, в предприятиях электрических сетей (ПЭС) такая ЭВМ устанавливается в центре управления сетями (ЦУС), а выполнение операций, необходимых для расчета расстояния до места повреждения, возлагается на диспетчера ЦУС.

В качестве примера реализации способа определения места обрыва на воздушной линии электропередачи рассмотрим обрыв одной фазы на расстоянии l₁=200км воздушной ЛЭП напряжением 500 кВ, протяженностью l=600 км, выполненной проводом АС- 500/64. Определим, что обрыв происходит в момент времени t=0c. Для получения аварийных токов и напряжений, а также расчетов расстояния до места повреждения ЛЭП проводилось моделирование в программном комплексе Matlab. Получение мгновенных значений аварийных токов и напряжений выполнялось при наличии высокочастотных составляющих (в состав сигналов токов и напряжений входила третья гармоника интенсивностью 30% от значения амплитуды основной частоты и пятая гармоника интенсивностью 20% от значения амплитуды основной частоты).

Предлагаемый способ определения места обрыва на воздушной линии электропередачи по массивам мгновенных значений токов и напряжений реализуется следующим образом.

Посредством регистраторов аварийных событий 2₁ и 2₂ измеряют в режиме обрыва мгновенные значения сигналов напряжений и токов всех трех фаз в начале (табл.1)

и в конце (табл.2) линии для одних и тех же моментов времени с дискретностью массивов мгновенных значений, определяемой N=64 отсчета на период промышленной частоты.

С использованием каналов связи 3₁ и 3₂ указанные мгновенные значения предаются в ЭВМ 4 для последующей фильтрации и определения комплексных составляющих фазных напряжений и токов. В отличие от способа-прототипа для фильтрации мгновенных значений и получения комплексных составляющих фазных напряжений и токов применяется дискретное преобразование Фурье (ДПФ) [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. – М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.]. С учетом принятых обозначений выражения для реализации ДПФ принимают вид

, , ,

, , ,

, , ,

, , ,

где – круговая частота, =50 Гц;

– векторное значение тока в фазе А в начале линии;

– векторное значение тока в фазе B в начале линии;

– векторное значение тока в фазе C в начале линии;

– векторное значение напряжения в фазе А в начале линии;

– векторное значение напряжения в фазе B в начале линии;

– векторное значение напряжения в фазе C в начале линии;

– векторное значение тока в фазе А в конце линии;

– векторное значение тока в фазе B в конце линии;

– векторное значение тока в фазе C в конце линии;

– векторное значение напряжения в фазе А в конце линии;

– векторное значение напряжения в фазе B в конце линии;

– векторное значение напряжения в фазе C в конце линии.

Фильтрующие свойства ДПФ позволяют обеспечить подавление нежелательных высокочастотных составляющих в мгновенных значениях аварийных сигналов напряжений и токов, что в совокупности с точным расчетом по формульному выражению

,

где i – мнимая единица; – коэффициент распространения электромагнитной волны; – коэффициент затухания электромагнитной волны; коэффициент изменения фазы электромагнитной волны; Z_B – волновое сопротивление линии; L – длина линии;

обеспечивает высокую точность расчета расстояния до повреждения.

Следует отметить, что в способе-прототипе используется метод расчета комплексных составляющих токов и напряжений, не обладающий требуемыми свойствами фильтрации [Функциональный контроль и диагностика электротехнических и электромеханических систем и устройств по цифровым отсчетам мгновенных значений тока и напряжения/ B.C. Аврамчук, Н.Л. Бацева, Е.И. Гольдштейн, И.Н. Исаченко, Д.В. Ли, А.О. Сулайманов, И.В. Цапко. //Под ред. Е.И.Гольдштейна. Томск: Печатная мануфактура. 2003. – 240 с.] и уступающий по точности оценки комплексов токов и напряжений по мгновенным значениям в условиях высокочастотных составляющих. Это подтверждает сравнительный анализ точности оценки комплексов напряжений и токов, приведенный в табл. 5 с использованием мгновенных значений, полученных по результатам моделирования табл. 1, 2.

После получения комплексных значений аварийных фазных напряжений и токов с использованием постоянных коэффициентов (аналогичных способу-прототипу), а также ЭВМ 4 диспетчер ЦУС ПЭС выполняет расчет расстояния до места повреждения по формуле

,

где i – мнимая единица; – коэффициент распространения электромагнитной волны; – коэффициент затухания электромагнитной волны; – коэффициент изменения фазы электромагнитной волны; Z_B – волновое сопротивление линии; L – длина линии.

По результатам расчетов в таблице 5 видно, что расчетное расстояние до места обрыва в условиях наличия в мгновенных значениях аварийных напряжений и токов высокочастотных составляющих не совпадает с реальным значением. Относительную погрешность ε вычислим по формуле [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник для инженеров и учащихся ВТУзов. – М.: Наука. 1980. – 976 с.]. Погрешность соответствует формульному выражению

,

где a – расчетное значение, z– реальное значение. Полученные значения относительной погрешности расчета расстояния до места повреждения для предлагаемого способа и способа-прототипа приведены в табл. 5. Анализ таблицы показывает, что по результатам моделирования предлагаемый способ обладает на 2% большей точностью по сравнению с прототипом.

Таким образом, предлагаемый способ определения места обрыва на воздушной линии электропередачи по массивам мгновенных значений токов и напряжений более точен в реализации в условиях наличия в мгновенных значениях аварийных напряжений и токов высокочастотных составляющих по сравнению с прототипом, что обеспечивает достижение требуемой цели изобретения.

Результаты моделирования при наличии в сигналах тока и напряжения третьей и пятой гармоник в фазе А

При моделировании принималось, что амплитуда 3-й гармоники равна 30% от амплитуды сигнала, амплитуда 5-й гармоники равна 20% от амплитуды сигнала.