Способ определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи
METHOD OF DETERMINING DISTANCE TO PLACE OF FAILURE ON POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для определения места повреждения в трехфазной линии электропередачи (ЛЭП) высокого и сверхвысокого напряжения.
Известен способ определения места повреждения на линиях электропередачи, использующий волновой метод двусторонних измерений, по которому фиксируют электромагнитные волны, возникающие в месте короткого замыкания (КЗ) и распространяющиеся к концам линий, в моменты достижения фронтами волн концов линии, измеряют и фиксируют разность прихода этих фронтов путем остановки счетчиков хронирующих импульсов, передаваемых по каналам связи и обеспечивающих синхронность хода счетчиков (привязку моментов отсчета). При этом приход фронта волны определяется превышением статического порогового значения (Шалыт Г.М. Определение мест повреждения линий электропередачи импульсными методами. М.: Энергия, 1968).
Недостатком способа является использование статического порогового значения, при этом возможно не точное определение момента прихода фронта волны.
Известно техническое решение, заключающееся в определении расстояния до места повреждения на линии электропередачи, по которому измеряют и синхронизируют токи фаз линии на каждом из концов линии, формируют математические комбинации этих токов, выделяют аварийные составляющие этих комбинаций, последовательно фиксируют время превышения аварийными составляющими порогового значения на данном конце линии и, с помощью спутниковой навигационной системы, время превышения аварийными составляющими порогового значения на другом конце линии, измеряют разность этих времен, вычисляют расстояние L1 до места повреждения линии по выражению
L1=(L+(t1–t2)×V)/2,
где L - длина ЛЭП, V - скорость распространения аварийных составляющих, t1, t2 - времена превышения аварийных составляющих порогового значения на концах ЛЭП. При этом пороговое значение для аварийных составляющих устанавливается на уровне, значительно превышающем уровень помех. После обнаружения превышения аварийными составляющими данного порогового значения производится уточнение фронта с использованием предыстории и установлением порогового значения чуть выше уровня помех [Патент US 6597180].
Недостатком данного технического решения является установление порогового значения выше уровня помех, что не позволяет с высокой точностью выделить фронт волны переходного процесса, кроме того, из-за возможного различия в уровне помех на одном и другом концах ЛЭП возможна различная задержка по времени от фронта волны переходного процесса до момента его обнаружения, что негативно сказывается на точности определения места повреждения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Способ определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи» [Патент РФ №2475768, МПК G01R 31/08, опубл. 20.02.2013, бюл. №5], по которому на каждом из концов линии измеряют токи и напряжения, выделяют из измеренных токов и напряжений аварийный сигнал, вычисляют коэффициент эксцесса выделенного аварийного сигнала внутри скользящего временного окна, сравнивают вычисленный коэффициент эксцесса с величиной порога, фиксируют момент превышения порога с помощью спутниковой навигационной системы и вычисляют расстояние до места повреждения по разности моментов превышения порогов, зафиксированных на концах линии.
В описании способа-прототипа отмечается, что техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение чувствительности и точности определения места повреждения на ЛЭП за счет более точного выделения фронта волны переходного процесса из совокупности аварийных составляющих, подчиняющихся нормальному закону распределения.
Техническое решение способа-прототипа основывается на вычислении коэффициента эксцесса аварийного сигнала, выделенного внутри скользящего окна. По определению (например, https://ru.wikipedia.org) коэффициент эксцесса (коэффициент островершинности) в теории вероятностей представляет собой меру остроты пика распределения случайной величины. Он определяется выражением
где  - четвертый центральный момент статистического распределения случайной величины x с математическим ожиданием ,
;
- стандартное отклонение, связанное со вторым центральным моментом – дисперсией D
;
применительно к способу-прототипу N – размерность скользящего окна анализа.
Из описания способа-прототипа следует, что шумовые помехи, на фоне которых производится выделение аварийного волнового процесса для реализации функций определения места повреждения ЛЭП, подчиняются нормальному закону. Из теории вероятностей [например, Венцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. Для вузов. 5-е изд. стер. – М.: Высш. шк., 1998, - 576 с.] известно, что нормальный закон распределения описывается первыми двумя центральными моментами (математическим ожиданием и дисперсией). Поэтому вычисление коэффициента эксцесса, включающего четвертый центральный момент, является излишним при формировании процедуры обнаружения аварийного волнового процесса на фоне гауссова (нормального) шума.
То есть для построения оптимальной процедуры обнаружения аварийного сигнала достаточно первых двух центральных моментов.
Это подтверждается теоретическими выкладками (например, Хельстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. – М.: изд.-во Иностранной литературы, 1963, 433 с.), а оптимальная процедура обнаружения будет состоять в вычислении суммы квадратов мгновенных значений сигнала внутри скользящего временного окна (аналог второго центрального момента соответствует энергии сигнала внутри скользящего окна).
Неоптимальность процедуры обнаружения аварийного сигнала на фоне нормального (гауссового) шума, реализованная в способе-прототипе, приводит к излишним операциям обработки и усложнению соответствующего устройства.
Задачей изобретения является упрощение способа определения места повреждения ЛЭП за счет более простых операций точного выделения фронта волны переходного процесса из совокупности помех, подчиняющихся нормальному закону распределения.
Поставленная задача достигается способом определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи, по которому на каждом из концов линии измеряют токи и напряжения,  выделяют из измеренных токов и напряжений аварийный сигнал, производят вычисления внутри скользящего временного окна, фиксируют момент превышения порога с помощью спутниковой навигационной системы и вычисляют расстояние до места повреждения по разности моментов превышения порога, зафиксированных на концах линии. Согласно предложения внутри скользящего временного окна вычисляют энергию аварийного сигнала, формируемую путем суммирования квадратов мгновенных значений сигнала, затем сравнивают вычисленную энергию аварийного сигнала с величиной порога.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом на фиг.1, где изображено устройство, реализующее способ определения расстояния до места повреждения на ЛЭП.
А
В
С
А
В
С
Устройство (фиг.1) содержит блок 1, выделяющий аварийный сигнал из измеренных фазных токов и напряжений. К входам блока 1 подключены измеритель V напряжения фазы А, измеритель V напряжения фазы В, измеритель V напряжения фазы С, измеритель I тока фазы А, измеритель I тока фазы В, измеритель I тока фазы С. К выходу блока 1 подключен блок 2, вычисляющий сумму квадратов мгновенных значений выделенного аварийного сигнала внутри скользящего временного окна. К выходу блока 2 подключен первый вход компаратора 3, сравнивающего вычисленную блоком 2 сумму квадратов мгновенных значений выделенного аварийного сигнала внутри скользящего окна с величиной порога, задаваемого на втором входе компаратора 3 блоком 4. Выход компаратора 3 подключен к входу захвата таймера 5. К счетному входу таймера 5 подключен выход блока 6, принимающего хронирующие импульсы спутниковой навигационной системы. Выход таймера 5 соединен с блоком 7 связи, который передает на диспетчерский пульт время прихода фронта аварийного сигнала на соответствующий конец ЛЭП.
Определение места повреждения на ЛЭП осуществляется следующим образом.
Выделение аварийного сигнала в блоке 1 осуществляют аналогично прототипу путем формирования математической комбинации измеренных токов и напряжений. Комбинацию формируют так, чтобы в нормальном режиме работы ЛЭП, когда в линии отсутствует переходной процесс, на выходе блока 1 отсутствовал аварийный сигнал и присутствовали лишь помехи. Эти помехи представляют собой шум, подчиняющийся нормальному закону распределения. Нормальность закона распределения подтверждается теоретически наличием большого количества факторов, влияющих на величину сигналов аварийных составляющих, и их недоминирующим вкладом (центральная предельная теорема), а также экспериментально. Предварительно оцененная дисперсия гауссового шума (сумма квадратов мгновенных значений внутри скользящего временного окна) в условиях отсутствия на входе устройства переходного процесса, вызванного повреждением ЛЭП, используется в качестве порогового значения и записывается в блок 4 для последующей подачи на второй вход компаратора 3.
С выхода блока 1 аварийный сигнал поступает на блок 2, в котором вычисляется в реальном времени внутри скользящего окна сумма квадратов мгновенных значений сигнала, выделенного блоком 1.
В нормальном режиме работы на выходе блока 1 присутствуют мгновенные значений гауссового шума, подчиненных нормальному закону распределения, математическое значение которых равно нулю, а сумма квадратов мгновенных значений которых соответствует дисперсии шума.
При возникновении короткого замыкания на ЛЭП аварийный сигнал на выходе блока 1 представляет собой сумму мгновенных значений шума и переходного процесса, связанного с возникновением волн, распространяющихся от повреждения на линии.  Сумма квадратов мгновенных значений сигнала, формируемая на выходе блока 2 и рассчитанная внутри скользящего окна, будет представлять собой суммарную энергию шума и переходного волнового процесса. Ее значение будет существенно отличаться от дисперсии шума, принятой в качестве порогового значения и хранящегося в блоке 4.
Поскольку предлагаемый способ, как и способ-прототип, основан на оценке статистических параметров шума, он обладает значительно большей чувствительностью и точностью по сравнению со способами, работающими на уровнях, превышающих уровень помехи, и позволяет выделять начало переходного процесса при значении аварийного сигнала, меньшем уровня помехи. При превышении сигналом на выходе блока 2 значения порога, заданного блоком 4, срабатывает компаратор 3. Блок 4 задает чувствительность устройства по определению начала аварийного переходного процесса. Принятые блоком 6 хронирующие импульсы спутниковой навигационной системы поступают на счетный вход таймера 5 и формируют временную базу. Сигнал с выхода компаратора 3 при его срабатывании подается на вход захвата таймера 5. При этом таймер 5 фиксирует момент превышения порога и через блок 7 связи передает время начала переходного процесса на диспетчерский пульт. На диспетчерском пульте вычисляется расстояние до места по выражению
L1=(L+(t1-t2)×V)/2,
где L - длина ЛЭП, V - скорость распространения аварийного сигнала, t1, t2 - моменты превышения порога, зафиксированные таймерами 5 на противоположных концах ЛЭП.
Предлагаемый способ определения места повреждения на ЛЭП, как и способ-прототип, обладает повышенной чувствительностью и точностью определения места повреждения за счет выявления фронта аварийного сигнала на уровне, меньшем уровня помехи. Однако поскольку определение энергии аварийного сигнала посредством вычисления сумма квадратов мгновенных значений внутри скользящего временного окна существенно проще, чем определения коэффициента эксцесса аварийного сигнала, то достигается задача изобретения, состоящая в упрощении способа определения места повреждения ЛЭП.