СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ДВУХСТОРОННЕМ НАБЛЮДЕНИИ

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, конкретно к релейной защите и автоматике электрических систем.

Становится все более актуальной задача объединения информации, получаемой из разных мест наблюдаемого объекта, разнесенных в пространстве. Линия электропередачи наблюдается на граничных подстанциях, где измеряются токи и напряжения каждого провода. Число проводов равно трем в случае одноцепной линии, шести - в случае двухцепной. Наблюдения на разных подстанциях могут производиться как синхронно, так и несинхронно. Во втором случае объединение информации усложняется, так как фазы электрических величин на разных подстанциях оказываются смещенными друг относительно друга на неизвестный угол. Желательно располагать такими способами локации повреждений, которые действовали бы принципиально одинаково как при синхронном, так и несинхронном наблюдении линии электропередачи. Такая универсальность необходима для сохранения функций локации при нарушении синхронизации наблюдений на разных подстанциях.

Информацию из разных мест объекта можно объединить с помощью его модели. Способы определения места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели известны [1, 2]. Модель электропередачи состоит из основной неповрежденной части и отдельной модели повреждения, подключаемой к основной части в месте предполагаемого повреждения, которое варьируется, что позволяет проверить реальность предположения о повреждении в том или ином месте. Операции преобразования наблюдаемых токов и напряжений, осуществляющие такую проверку, составляют содержание способа определения места повреждения. Большинство известных способов ориентированы на одностороннее наблюдение линии электропередачи [3]. Известен вместе с тем и способ определения места повреждения при двухстороннем наблюдении линии электропередачи [4]. В этом способе, являющемся прототипом предлагаемого технического решения, измеряются комплексы токов и напряжений в начале и в конце линии. В модели линии электропередачи выбирается место предполагаемого повреждения. Определяются параметры модели повреждения, подключение которой к основной неповрежденной части модели электропередачи обеспечивает наблюдаемый режим. В указанной основной части модели осуществляются два преобразования. Токи и напряжения, измеренные на первой подстанции в начале линии, преобразуются в модели линии в токи и напряжения до места предполагаемого повреждения, а токи и напряжения, измеренные на второй подстанции в конце линии, преобразуются в той же модели в токи и напряжения, действующие после места предполагаемого повреждения, т.е. ближе к концу модели. По этим двум группам преобразованных токов и напряжений определяется модель повреждения, по виду которой судят о реальности повреждения.

Обсуждаемому способу присущ ряд недостатков. Он не приспособлен к действию при несинхронном наблюдении электрических величин на разных подстанциях, т.е. его функциональные возможности ограничены. Процедура построения модели повреждения не детализирована и сводится тем самым к подбору элементов этой модели, что сложно сделать даже в единственном месте предполагаемого повреждения, не говоря уже о перемещении этого места вдоль линии.

Предлагаемое техническое решение имеет целью расширение функциональных возможностей способа определения места повреждения, обеспечивающее его действенность как при синхронном, так и несинхронном наблюдении линии, при одновременном упрощении способа и придании ему способности повышать точность локации до тех пределов, которые обусловлены точностью измерения наблюдаемых токов и напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, задача определения места повреждения решается поэтапно. Этапы однотипны и состоят из простых операций. На каждом этапе выявляется поврежденный участок линии, в пределах которого оценивается расстояние до места повреждения и переходные сопротивления модели повреждения. На последующем этапе протяженность поврежденного участка сокращается, что позволяет повышать точность определения места повреждения от этапа к этапу. Простота оценивания аварийных параметров электропередачи достигается благодаря упрощению ее модели, но только на одном участке предполагаемого повреждения, где из модели исключается распределенная емкость. В остальных частях модели никаких упрощений не делается. Наблюдаемые токи и напряжения передаются на вход и выход поврежденного участка модели без погрешностей. В модели выделенного участка формируются сигналы, дающие однозначные оценки расстояния до места повреждения и переходных сопротивлений модели повреждений. Все основные операции, составляющие содержание способа при синхронном измерении электрических величин на концевых подстанциях, сохраняются и при асинхронном наблюдении. Добавляется лишь операция смещения фаз величин одной из сторон линии на угол, определяемый по тем же критериям, что и место повреждения.

На фиг.1 приведена структурная схема линии электропередачи, на фиг.2 - однолинейная модель этой линии, где выделен участок предполагаемого повреждения, на фиг.3 - схема преобразования наблюдаемых сигналов, адекватная модели по фиг.2. В месте предполагаемого повреждения к линии подключена модель повреждения. На фиг.4 показана структура преобразований, совершаемых на основе закономерностей, присущих схеме по фиг.3, а на фиг.5 - видоизменение предыдущей схемы для случая несинхронного наблюдения линии.

Линия электропередачи 1 соединяет подстанции 2 и 3, где измеряются комплексы токов и напряжений, объединенные в трехмерные векторы

В случае двухцепной электропередачи результаты наблюдения будут представлены шестимерными векторами. При несинхронном наблюдении векторы разных сторон электропередачи объединяются после приведения к единому базису. Если за основу принято начало отсчета времени на подстанции 2, то векторы противоположной стороны линии поворачиваются на угол γ, подлежащий определению и потому варьируемый: , .

Истинное повреждение 4 произошло в неизвестном месте с координатой x_ff, где х - расстояние, измеряемое от некоторой фиксированной точки линии. Задача заключается в поиске оценки этой координаты, а также в распознавании характера повреждения.

Модель электропередачи (фиг.2) строится по особому правилу, важному для предполагаемого способа. Выделяется предположительно поврежденный участок 5, моделируемый без привлечения распределенной емкости. Остаются в общем случае два предположительно неповрежденных участка 6 и 7, моделируемые с учетом всех параметров линии, включая и распределенную емкость.

Модели участков 6 и 7 могут быть представлены в виде преобразователей 8 и 9. Первый формирует из наблюдаемых токов и напряжений токи , и напряжения начала участка 5, второй формирует из токов и напряжений токи и напряжения конца этого участка. Модель выделенного из общей структуры электропередачи однородного участка 5 составлена из одних лишь продольных элементов 10, 11. Обозначены на фиг.3 только те элементы, что имеют отношение к фазе А: собственное сопротивление до места повреждения и взаимные сопротивления с другими фазами до места повреждения и , собственное сопротивление после места повреждения и соответствующие взаимные сопротивления где l - длина выделенного участка, x_f - расстояние до места предполагаемого повреждения, отсчитываемое от начала этого участка, - собственное или взаимное (в зависимости от индексов) удельное сопротивление однородного участка. Модель повреждения 12, составленная из переходных сопротивлений R_Af, R_Bf, R_Cf, R_0f в виде четырехлучевой звезды, подключена к модели участка 5 в месте предполагаемого повреждения с координатой x_f.

Структура, оценивающая аварийные параметры электропередачи x_ff, R_Af, R_Bf, R_Cf, R_0f, содержит преобразователь 13 тока и напряжения начала линии, преобразователь 14 тока и напряжения конца линии, блок 15 формирования сигналов , R_Af, R_0f оценки аварийных параметров. Схемы по фиг.4 и 5 иллюстрируют преобразования величин только в одной фазе электропередачи, а именно в фазе А Поэтому на выходах блоков 13 и 14 показаны напряжения и только этой фазы. Преобразования в фазах В и С осуществляются в той же структуре, и тогда блоки 13, 14 выдают вместо напряжений фазы А напряжения фазы В или С, а блок 15 выдает комплексные сигналы обновленных оценок , R_0f, а также и отсутствовавшие ранее комплексные сигналы оценок переходных сопротивлений R_Bf или R_Cf.

Оконечные блоки 16,17 выполняют заключительные преобразования, выделяя вещественные части комплексных сигналов как искомые оценки расстояния до места повреждения и оценки переходных сопротивлений , , что отражено на фиг.4, а также оценки , , получаемые в тех каналах обработки сигналов, где формируются напряжения других фаз. Кроме того, в блоках 16, 17 производится проверка достоверности получаемых оценочных сигналов. Так, оценка должна находиться в пределах выделенного участка 5, а оценки переходных сопротивлений должны быть положительными и не превосходить физически оправданных пределов. В случае адекватности модели электропередачи реальному объекту аргумент комплексного сигнала близок к нулю. Но и при неизбежной неадекватности их аргументы не должны выходить за допустимые пределы. Вещественные и мнимые части комплексных сигналов сравниваются в блоках 16, 17 между собой и с заданными порогами.

Операции преобразования сигналов в схеме по фиг.4 сохраняются и при несинхронном наблюдении электропередачи. Требуется лишь дополнительное введение фазоповоротного блока 18, смещающего фазы всех величин одной из сторон линии (на фиг.5 - величин конца линии) на произвольный угол γ. Соответственно, комплексные выходные сигналы формирователя 15 становятся функциями угла γ, истинное значение которого определяется оконечным блоком 16 по тем же критериям, которые приняты в структуре по фиг.4 при формировании сигнала оценки расстояния .

Действие предлагаемого способа рассмотрим на примере одиночной линии электропередачи (фиг.1). В ее модели (фиг.2) выделен участок 5, на котором преобразования электрических величин выполняются без участия распределенных емкостей. В основе преобразований лежат уравнения участка. Так, контур фазы А, идущий вдоль провода без захода в место повреждения, описывается уравнением

где

В симметричной линии можно обойтись без составляющей нулевой последовательности, вводя вместо взаимосвязи (1) более простое соотношение

где - удельное сопротивление прямой последовательности, а величины, помеченные штрихом, - безнулевые составляющие, объединяющие в себе прямую и обратную последовательности:

Исключение нулевой последовательности полезно в связи с тем, что именно на ней труднее всего добиться адекватности модели реальному объекту из-за влияния близкорасположенных проводов и необходимости задаваться глубиной возврата тока через землю.

Контур той же фазы А, идущий по сопротивлениям R_Af, R_0f, имеет описание

соответственно, линейный контур фаз А и В, проходящий по сопротивлениям R_Af и R_Bf, устанавливает взаимосвязь

где - линейное напряжение, ,

Закономерности (1) или (1a) представляют расстояние до места повреждения в виде комплексного сигнала

или

где верхний индекс А означает, что сигнал сформирован в соответствии с уравнением фазы А. Аналогичным образом определяются сигналы других фаз и . Выделенный участок линии 5 считается поврежденным, если в некоторых фазах сигнал , ν - общее обозначение фазы, оказывается вещественным и ненулевым.

При несинхронном наблюдении линии фазы токов и напряжений одной из сторон линии смещаются на угол γ, варьируемый с тем, чтобы проверить сигнал

на выполнение условий

Не исключено, что эти условия будут выполняться не на одном участке. Дальнейшая проверка исключает возможную неоднозначность определения места повреждения. Из комплексного соотношения (2) определяются переходные сопротивления как вещественные сигналы

где индексы «re» и «im» обозначают вещественные и мнимые части комплексов

,

,

.

Аналогично из соотношения (3) для фаз А и В

где присутствуют вещественные и мнимые части комплексов

,

.

Критерием достоверности распознавания повреждения служит попадание оценок переходных сопротивлений в заданный диапазон физически возможных значений

где R_inf - небольшое отрицательное сопротивление, R_sup - значение порядка 100 Ом. Теоретическое значение R_inf - нулевое, соответствующее режиму металлического короткого замыкания. Но с учетом неизбежных погрешностей измерения токов и напряжений приходится смещать R_inf в отрицательную область.

По предлагаемому способу модель электропередачи разделяется в общем случае на три части (фиг.2). Крайние части 6, 7 моделируют неповрежденную линию, учитывают все ее параметры, и их модели предстают в виде преобразователей 13, 14, которые формируют из наблюдаемых величин токи и напряжения , , , - граничные величины предположительно поврежденного центрального участка 5. Если выделенный участок 5 поврежден на самом деле, то это будут реальные величины, адекватные тем, что действуют внутри объекта. Тогда формирователь 15 преобразует входные величины , , , в сигналы оценки параметров повреждения , , , , , , , , , , , , , , (на фиг.4 показана только часть этих сигналов); верхние индексы говорят о том, какие из закономерностей положены в основу преобразований: фазных контуров, как соотношение (2), или линейных контуров, как соотношение (3).

В том случае, когда выделенный участок 5 на самом деле не поврежден, условия (6), (7), (12), выполнение которых проверяется в оконечных блоках 16, 17, не найдут подтверждения, и предположение о повреждении участка будет отвергнуто.

На первом этапе распознавания аварийной ситуации в качестве предположительно поврежденного участка может быть взята вся линия. Тогда оценка координаты места повреждения локализует участок предполагаемого повреждения в окрестности найденного места. На следующем этапе оценка будет уточнена для нового укороченного участка.

Благодаря выполняемой блоком 18 операции смещения фаз всех величин, подводимых к участку 5 с одной из его сторон, обеспечивается возможность объединять несинхронизированные измерения. В этом случае угол ψ становится параметром, подлежащим определению по тем же критериям (6), (7), (12), которыми определяется действие оконечных блоков 16, 17. Иначе говоря, неизвестная фаза ψ присоединяется к числу оцениваемых аварийных параметров x_f и R_f.

Таким образом, способ определения места повреждения линии электропередачи сохраняет работоспособность при утрате синхронизации разных сторон линии, инвариантен к видам повреждения и, в отличие от прототипа, основывается на непосредственном контроле параметров модели повреждения, а не такого косвенного параметра, как потребляемая реактивная мощность, которая равна нулю не только при повреждении, но и в нормальном режиме. Выделение из модели электропередачи отдельного участка и его упрощенное моделирование предоставили возможность повышать точность определения места повреждения путем поэтапного укорочения поврежденного участка.

Источники информации

1. Диагностика линий электропередачи. - Электротехнические микропроцессорные устройства и системы. Межвуз. сборник науч. трудов. Изд-во Чуваш, ун-та, Чебоксары, 1992, С.9-32 / Ю.Я. Лямец, В.И. Антонов, В.А. Ефремов, Г.С. Нудельман, Н.В. Подшивалин.

2. Лямец Ю.Я., Ильин В.А., Подшивалин Н.В. Программный комплекс анализа аварийных процессов и определения места повреждения линия электропередачи. - Электричество, 1996, №12, С.2-7.

3. Патент РФ №2033622, G01R 31/11, Н02Н 3/28, 1989.

4. Патент РФ №2033623, кл. G01R 31/11, Н02Н 3/28, 1989.