Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПО ЗАМЕРАМ С ДВУХ ЕЕ КОНЦОВ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения угла между напряжениями и токами по концам линии при несинхронизированных замерах с двух ее концов и для уточнения места короткого замыкания на линиях электропередачи по замерам с двух ее концов.

Изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008, - с.97], так как решает проблему уменьшения времени задержек при транспортировке электроэнергии потребителям в случае повреждения электрических сетей.

Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [Заявка на изобретение RU №2001102357, G01R 31/08, дата публикации заявки 20.12.2002], в котором раскрывается несколько методов, в качестве примера рассмотрим первый метод (как наиболее похожий) - метод полного сопротивления.

Метод полного сопротивления реализуется следующим образом. Измеряют с одной (и с другой) стороны линии фазные токи и напряжения основной частоты в момент короткого замыкания и ток предаварийного режима в фазе А. По измеренным величинам определяют расчетные значения напряжений и токов в зависимости от вида короткого замыкания. При однофазных коротких замыканиях в качестве расчетных значений используют фазное напряжение, компенсированный фазный ток и аварийная составляющая полного тока короткого замыкания; при многофазных коротких замыканиях - линейное напряжение, линейный ток и аварийная составляющая полного тока короткого замыкания. Кроме того, в расчете используют параметры схемы замещения сети. Далее осуществляют итерационный процесс, на первой итерации которого коэффициент токораспределения, необходимый для определения аварийной составляющей полного тока короткого замыкания, принимают равным единице, а полное сопротивление от начала линии до места повреждения находят через расчетные величины напряжений и токов. Отношение полного сопротивления от начала линии до места повреждения к полному сопротивлению линии на первой итерации приближенно указывает, где произошло повреждение. Через найденное на первой итерации полное сопротивление, на второй итерации уточняют коэффициент токораспределения и вновь производят расчет полного сопротивления от начала линии до места повреждения (уже с откорректированным коэффициентом токораспределения). Определяют отношение полного сопротивления от начала линии до места повреждения к полному сопротивлению линии (для второй итерации). Если разница между указанным соотношением на первой и на второй итерациях меньше предварительно задаваемой величины δ, отвечающей за точность определения места повреждения, то расчет заканчивают. Если больше, то расчет продолжают по аналогии с предыдущими итерациями, до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность в определении места повреждения.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками каждого из вариантов заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на одном конце линии, определение вида короткого замыкания и определение по соотношению измеренных с одного конца величин расстояния до места короткого замыкания и итерационное уточнение искомых параметров. Аналогично по соотношению измеренных величин с другого конца определяют расстояние до места короткого замыкания со второго конца.

Описанный аналог определения места повреждения, обладают таким существенным недостатком, как необходимость создания полной схемы замещения сети для определения комплексных сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей и эквивалентных ЭДС питающих систем по сторонам линии.

Указанный недостаток может приводить к значительной погрешности в определении места повреждения, из-за не полного учета составляющих схемы замещения питающих систем, которые могут изменяться в зависимости от режима.

Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [Заявка RU №2009137563/28, G01R 31/08 (2006.01), дата публикации 20.04.2011], в котором указанные недостатки устраняются. В этом способе измеряют с двух концов линии фазные напряжения и токи, преобразуют их в расчетные комплексные значения по предложенным выражениям, и, используя мнимые части расчетных величин, находят расчетным путем относительные и физические расстояния места повреждения от концов линии. В этом способе не используют эквивалентные параметры питающих систем, устранено влияние переходного сопротивления.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками каждого из вариантов заявляемого способа, являются: измерение с двух концов линии (' - один конец линии, '' - второй конец линии) не синхронизированных по углам комплексных фазных токов , и напряжений , основной частоты в момент короткого замыкания, определение вида короткого замыкания, расчетным путем с использованием замеров с обоих концов определение относительного значения расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания L_k=n*L.

Недостатком указанного способа, является необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин.

Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за недостаточного объема учитываемых параметров.

Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [Технология векторной регистрации параметров и ее применение для управления режимами ЕЭС России, Электро, №2, 2011, с.2-5], в котором необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин устраняется. В этом способе предварительно измеряют угол между токами по концам линии. Что выполнят путем использования цифровых каналов связи между концами линии или путем использования спутниковой синхронизации времени. При использовании цифровых каналов связи углы определяют путем выполнения выборок синхронизированных по времени или путем постоянного вычисления времени прохождения сигнала между полукомплектами дифференциальной защиты линии. При использовании спутниковой синхронизации времени импульсы синхронизации времени получают от приемников сигнала ГЛОНАСС (GPS). Далее измеряют с двух концов линии фазные напряжения и токи, преобразуют их в расчетные комплексные значения по предложенным выражениям, и, используя полные части расчетных величин, находят расчетным путем относительные и физические расстояния места повреждения от концов линии. В этом способе не используют эквивалентные параметры питающих систем, устранено влияние переходного сопротивления.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками каждого из вариантов заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на обоих концах линии, определение вида короткого замыкания, определение угла между токами и напряжениями по концам линии и определение по соотношению измеренных величин расстояния до места короткого замыкания.

Основная особенность способа - это возможность учета влияния питания с противоположного конца линии, а также исключение погрешности от переходного сопротивления в месте короткого замыкания. Для реализации этого метода не требуется полная модель сети, т.е. программы расчета установившихся и аварийных режимов сети. Кроме того, не требуется производить предварительные измерения тока нагрузки, которые используют для компенсации погрешности от влияния нагрузки.

Недостатком способа является необходимость использования сложного оборудования и алгоритмов, например, цифровых каналов связи между концами линии, когда углы определяют путем выполнения выборок синхронизированных по времени или путем постоянного вычисления времени прохождения сигнала между полукомплектами дифференциальной защиты линии, или оборудования спутниковой синхронизации времени, когда импульсы синхронизации времени получают от приемников сигнала ГЛОНАСС (GPS).

Указанный недостаток существенно усложняет процедуру определении места повреждения и не везде может использоваться из-за отсутствия необходимого оборудования.

Из уровня техники не известен способ, который позволил бы определять место короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам с двух ее концов без использования сложного оборудования и цифровых каналов связи между концами линии, необходимого для измерения угла между токами и напряжениями по концам линии, и который можно было бы принять за прототип заявляемой группы изобретений как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату.

Заявляемая группа изобретений направлена на решение задачи по созданию технологий, позволяющих повысить эффективность электроснабжения.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности определении места повреждения за счет итерационной синхронизации измеренных величин токов и напряжений по концам линии не синхронизированных по углу.

Технический результат достигается тем, что согласно изобретению по п.1 формулы изобретения в способе определения места короткого замыкания на линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей Z _1Л, Z_2Л, Z_0Л, длину L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (' - один конец линии, '' - второй конец линии) несинхронизированные по углам комплексные фазные токи , и напряжения , основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, определяют любыми известными средствами относительное значение расстояния до места короткого замыкания n, определяют значения сопротивлений Z'_1Л, Z'_2Л, Z'_0Л от первого конца линии до места повреждения и сопротивления Z''_1Л, Z''_2Л, Z''_0Л от второго конца линии до места повреждения, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей определяют для замыканий на землю значение угла между напряжениями нулевой последовательности по концам линии по выражению:

и уточняют расстояние до места повреждения, для чего изменяют на втором конце линии углы векторов напряжения и тока нулевой последовательности на величину φ₀, и определяют относительные расстояния от концов линии до места повреждения по выражениям:

; .

Технический результат достигается тем, что согласно изобретению по п.2 формулы изобретения в способе определения места короткого замыкания на линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей Z _1Л, Z_2Л, Z_0Л, длину L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии ('' - один конец линии, '' - второй конец линии) несинхронизированные по углам комплексные фазные токи , и напряжения , основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, определяют любыми известными средствами относительное значение расстояния до места короткого замыкания n, определяют значения сопротивлений Z'_1Л, Z'_2Л, Z'_0Л от первого конца линии до места повреждения и сопротивления Z''_1Л, Z''_2Л, Z''_0Л от второго конца линии до места повреждения, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей определяют предпочтительно для двухфазного замыкания значение угла между напряжениями обратной последовательности по концам линии по выражению:

,

уточняют расстояние до места повреждения, для чего изменяют на втором конце линии углы векторов напряжения и тока обратной последовательности на величину φ₂, и определяют предпочтительно для двухфазного замыкания относительные расстояния от концов линии до места повреждения по выражениям:

; .

Технический результат достигается тем, что согласно изобретению по п.1 формулы изобретения в способе определения места короткого замыкания на линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей Z _1Л, Z_2Л, Z_0Л, длину L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (' - один конец линии, '' - второй конец линии) несинхронизированные по углам комплексные фазные токи , и напряжения , основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, определяют любыми известными средствами относительное значение расстояния до места короткого замыкания n, определяют значения сопротивлений Z'_1Л, Z'_2Л, Z'_0Л от первого конца линии до места повреждения и сопротивления Z''_1Л, Z''_2Л, Z''_0Л от второго конца линии до места повреждения, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей и определяют для любых замыканий значение угла между напряжениями прямой последовательности по концам линии по выражению:

,

или значение угла между фазным напряжениями по концам линии по выражению:

,

где: - компенсированный фазный ток первого конца;

- компенсированный фазный ток второго конца;

(для одноцепной линии), уточняют расстояние до места повреждения, для чего изменяют на втором конце линии углы векторов напряжения и тока прямой последовательности на величину φ₁, векторов фазного напряжения и фазного компенсированного тока на величину φ_F, и определяют для любых замыканий расстояния от концов линии до места повреждения по выражениям:

; ,

или

; ,

Новизну заявляемых вариантов технического решения, охарактеризованных в пунктах 1-3 формулы изобретения, доказывает новый подход, который позволяет найти точное значение угла между напряжениями и токами по концам линии при несинхронизированных замерах с двух ее концов, позволяет повысить точность определения места повреждения, и в то же время дает возможность практической реализации метода, благодаря раскрытию довольно простых средств и методов и отсутствию сложного оборудования и громоздких вычислений и сложных математических преобразований, что подтверждает соответствие заявляемых технических решений условию патентоспособности «промышленная применимость».

Из уровня техники неизвестны отличительные существенные признаки заявляемых способов, охарактеризованных в пунктах 1-3 формулы изобретения, что подтверждает их соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Группа изобретений поясняется чертежом, где

на фиг.1 представлена общая схема замещения линии электропередачи;

на фиг.2 представлена схема замещения линии для однофазного короткого замыкания.

На Фиг.1 показана однолинейная схема замещения линии электропередачи длиной L, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей Z _1Л, Z_2Л, Z_0Л, длину L, соединяющей шины 1 и 2 двух систем 3 и 4 с эквивалентными параметрами (ЭДС и комплексные сопротивления соответственно , , , , ' - один конец линии, '' - второй конец линии). На линии показано короткое замыкание 5 за переходным сопротивлением (R_П) 6 на расстоянии (L_K) 7 от одного конца линии, сопротивление от одного конца линии до места короткого замыкания 8, сопротивление от другого конца линии до места короткого замыкания 9. При возникновении короткого замыкания на линии по ней протекают ток 10 в сопротивлении 8, ток 11 в сопротивлении 9, сумма которых дает полный ток короткого замыкания 12 в переходном сопротивлении 6, при этом на шинах 1 и 2 измеряют с двух концов линии несинхронизированные по углам комплексные фазные токи 13 , и напряжения 15 , .

Рассмотрим однофазное короткое замыкание на одноцепной линии с двухсторонним питанием. Параметры аварийного режима (13, 14, 15, 16) замерены с двух сторон и поэтому влияние R_П (6) и питающих систем (3, 4) можно исключить.

Падение напряжения до точки К.З. с двух сторон (Фиг.1) можно записать как:

После преобразования выражения (1), получим:

Разделив правую и левую часть на уравнения (2), получим:

Далее преобразуя уравнения (3), получим:

где:

- ток компенсации для одиночной линии.

- коэффициент компенсации для одиночной линии, параметр линии.

Для реализации способа по п.1 формулы изобретения измеряют комплексные величины фазных токов , и напряжений , по концам линии, определяют любыми известными средствами относительное значение расстояния до места короткого замыкания n, определяют значения сопротивлений Z _1Л, , Z'_2Л, Z'_0Л от первого конца линии до места повреждения и сопротивления Z''_1Л, Z''_2Л, Z''_0Л от второго конца линии до места повреждения, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей определяют для замыканий на землю значение угла между напряжениями нулевой последовательности по концам линии по выражению:

,

и уточняют расстояние до места повреждения, для чего изменяют на втором конце линии углы векторов напряжения и тока нулевой последовательности на величину φ₀, и определяют относительные расстояния от концов линии до места повреждения по выражениям:

; .

Для реализации способа по п.2 формулы изобретения измеряют комплексные величины фазных токов , и напряжений , по концам линии, определяют любыми известными средствами относительное значение расстояния до места короткого замыкания n, определяют значения сопротивлений Z _1Л, Z'_2Л, Z'_0Л от первого конца линии до места повреждения и сопротивления Z _1Л, Z''_2Л, Z''_0Л от второго конца линии до места повреждения, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей определяют предпочтительно для двухфазного замыкания значение угла между напряжениями обратной последовательности по концам линии по выражению:

, уточняют расстояние до места повреждения, для чего изменяют на втором конце линии углы векторов напряжения и тока обратной последовательности на величину φ₂, и определяют предпочтительно для двухфазного замыкания относительные расстояния от концов линии до места повреждения по выражениям:

; .

Для реализации способа по п.3 формулы изобретения измеряют комплексные величины фазных токов , и напряжений , по концам линии, определяют любыми известными средствами относительное значение расстояния до места короткого замыкания n, определяют значения сопротивлений Z'_1Л, Z'_2Л, Z'_0Л от первого конца линии до места повреждения и сопротивления Z''_1Л, Z''_2Л, Z''_0Л от второго конца линии до места повреждения, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей определяют для любых замыканий значение угла между напряжениями прямой последовательности по концам линии по выражению:

,

или значение угла между фазным напряжениями по концам линии по выражению:

,

где: - компенсированный фазный ток первого конца;

- компенсированный фазный ток второго конца;

(для одноцепной линии), уточняют расстояние до места повреждения, для чего изменяют на втором конце линии углы векторов напряжения и тока прямой последовательности на величину φ₁, векторов фазного напряжения и фазного компенсированного тока на величину φ_F, и определяют для любых замыканий расстояния от концов линии до места повреждения по выражениям:

, ,

или

, .

Рассмотрим на примере реального короткого замыкания, параметры токов и напряжений которого измерены по концам линии и являются несинхронными (Фиг.2). Расстояние короткого замыкания от первого конца линии L'=7,8 км, от второго, соответственно, L''=107,92 км.

В реальном несинхронном замере вектора напряжений фазы А по концам линии приняты за оси отсчета, а углы остальных векторов токов и напряжений измеряют относительно своих осей отсчета.

Параметры моделируемой линии:

Z_0уд=0,354+1,415i. - погонное сопротивление нулевой последовательности (Ом/км)

Z_1уд=0,204+0,4i - погонное сопротивление прямой последовательности (Ом/км)

Полное сопротивление линии:

Z_0Л=40,965+163,744i _ полное сопротивление линии нулевой последовательности (ом).

Z_1Л=23,607+46,288i - полное сопротивление линии прямой последовательности (ом).

Исходные данные параметров короткого замыкания в фазных координатах.

Напряжение в начале линии: Напряжение в конце линии: Токи в начале линии: Токи в конце линии:

Поворотный множитель:

, .

Определение симметричных составляющих параметров аварийного режима.

Напряжение в начале линии:

Токи в начале линии:

Напряжение в конце линии:

Токи в конце линии:

Определение места повреждения.

По замеру токов и напряжения обратной последовательности по концам линии находим расчетным путем расстояние до места повреждения от начала линии:

Определяем угол сдвига между векторными диаграммами параметров аварийного режима по концам линии по обратной последовательности:

Таким образом получили, что векторная диаграмма токов и напряжений со стороны системы Б повернута относительно системы А на угол сдвига ΔФ2=-8 градусов.

Проверяем определение места повреждения с учетом полученного угла. Исходные данные параметров короткого замыкания в фазных координатах.

Напряжение в начале линии: Напряжение в конце линии: Токи в начале линии: Токи в конце линии:

Поворотный множитель:

, .

Определение симметричных составляющих параметров аварийного режима.

Напряжение в конце линии:

Токи в конце линии:

Определяем место повреждения по замеру токов и напряжений обратной последовательности по концам линии с учетом полученного угла сдвига.

Расчет от начала ВЛ: Расстояние до места повреждения от начала ВЛ:

Реальное расстояние до места замыкания 7,8 км, при расчете без учета угла получили 11 км. С учетом угла по обратной последовательности получили расстояние 8,37 км.

Рассмотрим на примере другого реального короткого замыкания, параметры токов и напряжений которого измерены по концам линии и являются несинхронными. Расстояние короткого замыкания от первого конца линии L'=0,4 км, от второго, соответственно, L''=111,47 км.

В реальном несинхронном замере вектора напряжений фазы А по концам линии приняты за оси отсчета, а углы остальных векторов токов и напряжений измеряют относительно своих осей отсчета.

Параметры моделируемой линии:

z_0yy=0,394+1,44587i. - погонное сопротивление нулевой последовательности линии (Ом/км)

z_1yy=0,244+0,3889i. - погонное сопротивление прямой последовательности линии (Ом/км)

Полное сопротивление линии:

z_0Л=44,077+163,185i - полное сопротивление нулевой последовательности линии (Ом).

z_1Л=27,296+43,506i - полное сопротивление прямой последовательности линии (Ом).

Исходные данные параметров короткого замыкания в фазных координатахах.

Напряжение в начале линии: Напряжение в конце линии: Токи в начале линии: Токи в конце линии:

Поворотный множитель:

, .

Определение симметричных составляющих параметров аварийного режима.

Напряжение в начале линии:

Токи в начале линии:

Напряжение в конце линии:

Токи в конце линии:

Компенсированный фазный ток в начале линии:

где

Компенсированный фазный ток в конце линии:

Определение места повреждения.

Было определено расчетным путем расстояние до места повреждения от начала линии одним из известных методов:

Lкз=1,52 км

Определяем угол сдвига между векторными диаграммами параметров аварийного режима по концам линии:

1. По прямой последовательности

2. По фазным величинам

Рассмотрим синхронизацию векторных измерений токов и напряжений по концам линии на угол определенный по прямой последовательности.

Получили, что векторная диаграмма токов и напряжений со стороны системы Б повернута относительно системы А на угол сдвига ΔФ1=52 градуса.

Проводим проверку определения места повреждения с учетом полученного угла.

Исходные данные параметров короткого замыкания в фазных координатахах.

Напряжение в начале линии: Напряжение в конце линии: Токи в начале линии: Токи в конце линии:

Поворотный множитель:

, .

Определение симметричных составляющих параметров аварийного режима. Напряжение в конце линии:

Токи в начале линии:

Компенсированный фазный ток в конце линии с учетом угла сдвига определенный по прямой последовательности:

Определяем место повреждения по измерению токов и напряжений прямой последовательности по концам линии с учетом полученного угла сдвига.

Расчет от начала ВЛ: Расстояние до места повреждения от начала ВЛ:

Реальное расстояние до места замыкания 0,4 км, при расчете без учета угла получили 1,54 км. С учетом угла сдвига определенного по прямой последовательности получили по измерению токов и напряжений прямой последовательности по концам линии расстояние 0,605 км.

Еще рассмотрим синхронизацию векторных измерений токов и напряжений по концам линии на угол определенный по фазным величинам.

Получили, что векторная диаграмма токов и напряжений со стороны системы Б повернута относительно системы А на угол сдвига ΔФ_F=47 градусов.

Проведем проверку определения места повреждения. Исходные данные параметров короткого замыкания в фазных координатах.

Токи в начале линии: Токи в конце линии:

Поворотный множитель:

, .

Определение симметричных составляющих параметров аварийного режима.

Напряжение в конце линии:

Токи в конце линии:

Компенсированный фазный ток в конце линии с учетом угла сдвига определенным по фазным величинам:

Определяем место повреждения по измерению фазного напряжения и компенсированного фазного тока по концам линии с учетом угла сдвига полученного по фазным величинам.

Расчет от начала ВЛ: Расстояние до места повреждения от начала ВЛ:

Реальное расстояние до места замыкания 0,4 км. При расчете без учета угла получили 1,54 км. С учетом угла сдвига определенного по фазным величинам получили по замеру фазного напряжений и компенсированного фазного тока расстояние 0,487 км.

Проверка показала высокую точность определения угла и места повреждения. Определение места повреждения, выполненное по предложенной методике для схемы на фиг.1, показало также полное отсутствие методической погрешности при наличии переходного сопротивления от 5 до 50 Ом и при изменениях нагрузочного режима в широких диапазонах. Погрешность отсутствует как при измерениях со стороны слабой, так и со стороны мощной системы.

Таким образом, использованием алгоритма определения угла сдвига между напряжениями и токами по концам линии и уточнения расстояния до места повреждения при двухстороннем несинхронизированном замере на основании известного неточного расстояния до места повреждения, достигается более точное определение расстояние до места короткого замыкания и точный угол между напряжениями и токами по концам линии.

Значение угла между напряжениями и токами по концам линии могут быть использованы для других целей, например для анализа режима другой части сети.