Способ одностороннего волнового определения места повреждения линии электропередачи
METHOD FOR ONE-SIDED WAVE DETERMINATION OF THE LOCATION OF DAMAGE OF POWER LINE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике, и может быть использовано для определения места повреждения на линии электропередачи (ЛЭП).
Известен способ одностороннего волнового определения места повреждения на ЛЭП (WO 2018/122627 A1 Traveling Wave Based Method for Locating a Fault in a Transmission Line and Device Therefor. Дата публикации: 05.07.2018), согласно которому формируют контролируемый сигнал путем линейного преобразования фазных напряжений или фазных токов в месте измерений и в нем определяют моменты возникновения фронтов трех первых волн. В селекторе фронтов отбирают последние два из фронтов волн в качестве рабочих. По разнице моментов возникновения фронта первой волны и первого рабочего фронта волн определяют два предполагаемых места повреждения, одно из которых находится на первой, а второе - на второй половине ЛЭП. Рассчитывают момент возникновения фронта третьей волны от ближайшего предполагаемого места повреждения и сравнивают с моментом возникновения второго рабочего фронта волн. Если они равны, то за истинное место повреждения принимают ближайшее предполагаемое место повреждения, иначе - отдаленное предполагаемое место повреждения.
Способ не учитывает вероятность возникновения в месте измерений фронтов волн, возвращающихся из левой и правой частей электрической системы, примыкающих к концам ЛЭП. Это приводит к ошибке при отборе рабочих фронтов волн в селекторе фронтов, в связи с чем способ может определить место повреждения неправильно.
Этот недостаток частично устранен в способе одностороннего волнового определения места повреждения ЛЭП, реализованном в устройстве по патенту US 10585133 B2 Electric Power Fault Protection Device Using Single-Ended Traveling Wave Fault Location Estimation (Дата публикации: 10.03.2020). Согласно ему формируют контролируемый сигнал путем линейного преобразования фазных напряжений или фазных токов в месте измерений и в нем определяют момент возникновения фронта первой волны. На заданном отрезке времени, отсчитываемом от момента возникновения фронта первой волны, с помощью дискриминатора определяют полярность фронтов волн в контролируемом сигнале. Селектором фронтов выявляют фронты волн, совпадающие по полярности с полярностью фронта первой волны, и принимают их в качестве рабочих фронтов волн. По каждому рабочему фронту волн определяют предполагаемое место повреждения путем умножения скорости распространения волны в ЛЭП на половину от длительности интервала между моментами возникновения рабочего фронта и фронта первой волны. При этом за истинное место повреждения принимают одно из предполагаемых мест, которое расположено ближе к месту повреждения, определенному другим способом.
Принятый в способе критерий отбора рабочих фронтов волн корректен только в случае, когда волновое сопротивление ЛЭП больше волнового сопротивления электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин. Поэтому при волновом сопротивлении ЛЭП меньшем волнового сопротивления электрической системы рабочие фронты волн будут отобраны ошибочно и способ определит место повреждения 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 одностороннего волнового определения места повреждения благодаря отбору рабочих фронтов волн с учетом волнового сопротивления электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин.
С целью повышения точности способа одностороннего волнового определения места повреждения ЛЭП в него вводят новый функциональный блок. В новом способе, так же, как и в известном, фазные токи и фазные напряжения в месте измерений линейно преобразуют в сигнал тока и сигнал напряжения, формируют контролируемый сигнал и в нем определяют момент возникновения фронта первой волны. Вместе с этим на заданном отрезке времени, отсчитываемом от момента возникновения фронта первой волны, с помощью дискриминатора определяют полярность фронтов волн в контролируемом сигнале и селектором фронтов с учетом полярности отбирают рабочие фронты волн и определяют их моменты возникновения. По каждому рабочему фронту волн определяют предполагаемое место повреждения путем умножения скорости распространения волны в ЛЭП на половину от длительности интервала между моментами возникновения рабочего фронта и фронта первой волны, при этом принимают за место повреждения одно из предполагаемых мест, которое расположено ближе к месту повреждения, определенному другим способом. Отличие предлагаемого способа заключается в использовании дополнительного функционального блока - блока контроля импеданса, способствующего правильному отбору рабочих фронтов волн. В нем определяют волновое сопротивление электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, и сравнивают его с волновым сопротивлением ЛЭП и формируют признак отбора рабочих фронтов волн как положительный, если упомянутое волновое сопротивление электрической системы оказывается меньше волнового сопротивления ЛЭП, и отрицательный - если упомянутое волновое сопротивление электрической системы оказывается больше волнового сопротивления ЛЭП, при этом рабочие фронты волн определяются селектором фронтов согласно признаку отбора рабочих фронтов волн: если признак положительный, то за рабочие принимают фронты волн, полярность которых совпадает с полярностью фронта первой волны, а если отрицательный - то фронты волн, полярность которых противоположна полярности фронта первой волны.
Новый функциональный блок обеспечивает правильный отбор селектором рабочих фронтов из множества фронтов волн различного происхождения, возникающих в месте измерений, в том числе возвращающихся из левой и правой частей электрической системы, примыкающих к концам ЛЭП.
Вторая реализация способа отличается тем, что упомянутое линейное преобразование фазных напряжений и фазных токов в месте измерений в сигнал напряжения и сигнал тока выполняют согласно одному из правил преобразования Кларк с последующим заграждением основной гармоники.
Третья реализация способа отличается тем, что упомянутое линейное преобразование фазных напряжений и фазных токов в месте измерений в сигнал напряжения и сигнал тока выполняют согласно одному из правил преобразования Карренбауэра с последующим заграждением основной гармоники.
Четвертая реализация способа отличается тем, упомянутое линейное преобразование фазных токов и фазных напряжений в месте измерений в сигнал тока и сигнал напряжения выполняют согласно одному из правил преобразования Ведпола с последующим заграждением основной гармоники.
Вторая - четвертая реализации способа представляют собой однородные линейные преобразования фазных величин в сигнал напряжения или сигнал тока. Эти преобразования создают сигналы, свободные от составляющей основной гармоники и отражающие волновые процессы в ЛЭП.
Пятая реализация способа отличается тем, что с помощью SCADA-системы контролируют положение выключателей и определяют включенные элементы электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, и согласно сигналам SCADA-системы и принятому правилу линейного преобразования фазных токов и фазных напряжений определяют в блоке контроля импеданса волновое сопротивление электрической системы как обратную величину суммы соответствующих волновых проводимостей, элементов, включенных в работу. Такое выполнение способа упрощает определение волнового сопротивления электрической системы.
Шестая реализация способа отличается тем, что в блоке контроля импеданса на фронтах первых волн сигнала напряжения и сигнала тока в произвольный момент выбирают синхронные измерения и определяют волновое сопротивление электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, как частное от деления измерения напряжения на измерение тока. Эта реализация способа позволяет в блоке контроля импеданса определять актуальную величину волнового сопротивления электрической системы, поскольку учитывается ее реакция на падающую волну.
Седьмая и восьмая реализации способа формируют контролируемый сигнал в виде удвоенного сигнала падающей волны напряжения или волны тока в месте измерений, а девятая и десятая - в виде удвоенного сигнала отраженной волны напряжения или волны тока от места измерений. Это исключает влияние величины волнового сопротивления электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, на фронты волн в контролируемом сигнале и, следовательно, повышает точность определения места повреждения.
Седьмая реализация способа отличается тем, что контролируемый сигнал формируют как сумму сигнала напряжения и сигнала тока, умноженного на волновое сопротивление ЛЭП.
Восьмая реализация способа отличается тем, что контролируемый сигнал формируют как сумму сигнала напряжения, деленного на волновое сопротивление ЛЭП, и сигнала тока.
Девятая реализация способа отличается тем, что контролируемый сигнал формируют как разность сигнала напряжения и сигнала тока, умноженного на волновое сопротивление ЛЭП.
Десятая реализация способа отличается тем, что контролируемый сигнал формируют как разность сигнала напряжения, деленного на волновое сопротивление ЛЭП, и сигнала тока.
Одиннадцатая реализация способа отличается тем, что за контролируемый сигнал принимают сигнал напряжения. Эта реализация используется при недостаточно высоком уровне фронтов волн в сигнале тока.
Двенадцатая реализация способа отличается тем, что за контролируемый сигнал принимают сигнал тока. Эта реализация используется при недостаточно высоком уровне фронтов волн в сигнале напряжения.
Фиг. 1 иллюстрирует распространение волн по ЛЭП в электрической сети, в которой волновое сопротивление  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, меньше волнового сопротивления ЛЭП  а фиг. 2 - в которой волновое сопротивление  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, больше волнового сопротивления ЛЭП  Сущность предлагаемого способа поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 3. Фиг. 4 иллюстрирует электрическую сеть, на примере которой поясняется принцип работы предлагаемого способа.
Прежде чем пояснить принцип работы способа, рассмотрим особенности возникновения волн напряжения и тока в месте установки устройства определения места повреждения (ОМП).
Удобно анализировать распространение волн при трехфазном коротком замыкании (КЗ). В этом случае волновые процессы в ЛЭП можно рассматривать в однолинейной схеме. Нас интересует распространение волны напряжения, возникшей в месте КЗ и направляющейся в сторону места установки устройства ОМП. Распространение волны тока происходит аналогично распространению волны напряжения.
Полярность фронта волны, возникающей в месте КЗ, противоположна знаку мгновенного значения предаварийного напряжения в месте повреждения. Примем, что полярность возникшей волны положительная.
Падающая на место установки устройства ОМП первая волна  порождает преломленную и отраженную волны. Полярность фронта отраженной волны  определяется знаком коэффициента отражения:
Коэффициент отражения
зависит от волнового сопротивления ЛЭП  и волнового сопротивления  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин.
Если волновое сопротивление  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерений фазных величин, меньше волнового сопротивления ЛЭП , то  и полярность фронта отраженной волны  противоположна полярности фронта падающей волны . Этот случай иллюстрируется фиг. 1. Отраженная волна 3 с полярностью фронта, противоположной полярности фронта первой падающей на место установки устройства ОМП волны 1, направляется к месту КЗ . Достигнув места КЗ, она отражается обратно, изменяя полярность фронта. Во второй раз в месте установки устройства ОМП она возникает в виде новой волны 4. Как видно из фиг. 1, полярность падающих волн 1 и 4 в этом случае будет одинаковой.
Следовательно, при волновом сопротивлении  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерений фазных величин, меньшем волнового сопротивления ЛЭП , устройство ОМП должно определять расстояние до места КЗ по волнам, полярность которых совпадает с полярностью фронта первой волны.
Если волновое сопротивление  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, больше волнового сопротивления ЛЭП , то  и полярность фронта отраженной волны  совпадает с полярностью фронта падающей волны . Этот случай иллюстрируется фиг. 2. В этом случае отраженная волна 3 вернется к месту установки устройства ОМП в виде новой волны 4 с полярностью, уже противоположной к полярности первой волны 1.
Поэтому при волновом сопротивлении  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерений фазных величин, большем волнового сопротивления ЛЭП , устройство ОМП должно определять расстояние до места КЗ по волнам, полярность которых противоположна полярности фронта первой волны.
Для удобства определения моментов возникновения фронтов волн в устройствах ОМП фазные величины линейно преобразуются либо в сигнал напряжения, либо в сигнал тока. Правила преобразования должны быть такими, чтобы полученные сигнал напряжения и сигнал тока могли рассматриваться как сигналы волновых процессов в однолинейных схемах с определенными характеристиками (с известными волновыми сопротивлениями). Такие правила формируются, например, модальными преобразованиями, которые формируют сигналы волн напряжения и тока, распространяющиеся в воздушных и земляном волновых каналах. Из этих сигналов напряжения и тока формируют контролируемый сигнал, а иногда и сам сигнал принимается за контролируемый сигнал.
Общим принципом определения расстояния от устройства ОМП до места повреждения является оценивание времени пробега волны, отраженной от места установки устройства ОМП, до места КЗ и обратно. Поэтому сначала в контролируемом сигнале определяют момент возникновения фронта первой волны и на заданном отрезке времени, отсчитываемом от момента возникновения фронта первой волны, с помощью дискриминатора определяют полярность фронтов волн в контролируемом сигнале. Затем селектором фронтов волн с учетом полярности отбирают рабочие фронты волн. По каждому рабочему фронту волн определяют предполагаемое место повреждения на ЛЭП путем умножения скорости распространения волны в ЛЭП на половину от длительности интервала между моментами возникновения рабочего фронта  и фронта первой волны  (фиг. 1):
где ν - скорость распространения волны в ЛЭП.
По принципу своего действия прототип при отборе рабочих фронтов волн всегда полагает, что волновое сопротивление  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерений фазных величин, меньше волнового сопротивления ЛЭП . Во множестве случаев это предположение обоснованно, но известны примеры электрических систем, в которых это условие не выполняется. Поэтому прототип, правильно выбирая рабочие фронты волн и правильно определяя место повреждения в сети фиг. 1, теряет работоспособность в сети фиг. 2 из-за изъяна в критерии отбора рабочих фронтов волн.
Предлагаемый способ свободен от этого недостатка, поскольку при отборе рабочих фронтов волн всегда учитывается величина волнового сопротивления  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерений фазных величин.
Рассмотрим работу предлагаемого способа при реализации его по схеме фиг. 3. Для пояснения принципа действия способа воспользуемся примером электрической сети, приведенным на фиг. 4.
В способе используются измерения фазных напряжений  и фазных токов  с одной стороны ЛЭП (фиг. 4), где  - обозначение фаз. Расстояние до места КЗ определяется путем выполнения следующих операций.
1. Фазные напряжения  и токи  преобразуют в сигнал напряжения  и сигнал тока  в блоке линейного преобразования 6 (фиг. 3). Преобразование фазных величин осуществляется в два этапа. Сначала трехфазные электрические величины преобразуются в промежуточные сигналы воздушных ( и ) и земляного () волновых каналов согласно общей формуле:
-
где матрица преобразования;
При формировании промежуточных сигналов напряжения и тока предпочтение отдают величинам воздушного волнового канала ( или ), поскольку они менее подвержены затуханию. Правила преобразования могут быть различными. Известны преобразования:
Кларк
Карренбауэра
и Ведпола
Для определенности изложения принципа действия предлагаемого способа будем рассматривать сигнал воздушного волнового канала  Необходимые сигнал напряжения  и сигнал тока  получают путем заграждения основной гармоники в промежуточных сигналах напряжения  и тока  фильтром
где
В качестве заграждающего фильтра обычно используют цифровой дифференциатор:
k
где  - номер отсчета. Выбор дифференциатора объясняется тем, что скорость изменения основной гармоники несравнима с приращением сигнала на фронте волны. Поэтому он подавляет основную гармонику и подчеркивает фронт волны.
2. Контролируемый сигнал  создают в блоке 7. Он может быть получен по-разному. В одной из реализаций способа им может быть сигнал падающей волны напряжения, формируемый как сумма сигнала напряжения  и сигнала тока  умноженного на волновое сопротивление ЛЭП :
В другой реализации им будет сигнал отраженной волны напряжения, формируемый как разность сигнала напряжения  и сигнала тока  умноженного на волновое сопротивление ЛЭП :
В следующей реализации за контролируемый сигнал  принимается сам сигнал напряжения :
В случае использования контролируемого сигнала  в виде тока, в одной из реализаций способа им может быть сигнал падающей волны тока, формируемый как сумма сигнала напряжения , деленного на волновое сопротивление ЛЭП , и сигнала тока :
В другой реализации им будет сигнал отраженной волны тока, формируемый как разность сигнала напряжения  деленного на волновое сопротивление ЛЭП  и сигнала тока
В следующей реализации за контролируемый сигнал  принимается сам сигнал тока
3. Момент возникновения фронта первой волны  в контролируемом сигнале  определяют в блоке 8. В самом простейшем случае момент возникновения фронта определяется как момент превышения абсолютного значения контролируемого сигнала  некоторого порога (E.O. Schweitzer, A.  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). Тогда блок 8 представляет собой пороговый орган.
4. На заданном отрезке времени, отсчитываемом от момента возникновения фронта первой волны  дискриминатором 9 определяют полярность  фронтов волн в контролируемом сигнале  Действие дискриминатора 9 может быть основано на одном из общеизвестных принципов, например, на принципе определения знака переменного сигнала путем сравнения его с нулем.
5. В блоке контроля импеданса 10 формируют признак отбора  рабочих фронтов волн на основе анализа волнового сопротивления  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин. Если волновое сопротивление электрической системы  оказывается меньше волнового сопротивления ЛЭП , то признак отбора принимают положительным  а если больше - то отрицательным
Волновое сопротивление  электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, определяют с помощью сигналов SCADA-системы (фиг. 4) в блоке контроля импеданса 10 путем контроля включенных элементов электрической системы по положению выключателей:
i
n
где  - волновая проводимость -ого включенного элемента электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин;  - количество включенных элементов электрической системы.
k
При отсутствии сигналов SCADA-системы в блоке контроля импеданса 10 на фронтах первых волн сигнала напряжения  и сигнала тока  в произвольный -ый момент выбирают синхронные измерения и определяют волновое сопротивление  электрической системы как:
6. Селектором фронтов 11 отбирают рабочие фронты волн согласно признаку отбора : если то за рабочие принимают фронты волн, полярность которых совпадает с полярностью фронта первой волны :
а если  - то фронты волн, полярность которых противоположна полярности фронта первой волны :
Этим же селектором фронтов 11 определяют моменты возникновения  рабочих фронтов волн, например, способом, описанным в п. 3.
7. По каждому рабочему фронту волн в блоке расчета расстояния до места повреждения 12 определяют предполагаемое место повреждения
q
где  - момент возникновения -ого рабочего фронта волны;  - скорость распространения волны в ЛЭП.
За место повреждения принимают одно из предполагаемых мест, которое расположено ближе к месту повреждения , определенному другим способом, например, односторонним способом ОМП по параметрам аварийного режима.
Таким образом, учет волнового сопротивления электрической системы, примыкающей к ЛЭП в месте измерения фазных величин, позволяет повысить точность одностороннего волнового определения места повреждения благодаря правильному отбору рабочих фронтов волн среди множества фронтов волн, приходящих к месту установки устройства не только от места КЗ, но и от других неоднородностей сети.