Использование PMU для определения места короткого замыкания линии электропередачи

Таким образом, в данной статье представлен новый метод диагностирования (РТР-алгоритм), который превосходит своих предшественников по критерию средних затрат на определение одного состояния УПП. Применение нового метода диагностирования (РТР-алгоритм) поможет сократить простои в работе электрооборудования. Исследования показали, что данный метод можно использовать для наладки любых систем электроприводов.

Процесс поиска и устранение неисправностей в сложном электрооборудовании УПП занимает очень много времени, что приводит к длительным простоям технологического оборудования. Для решения таких задач целесообразно создание консультирующей экспертной системы, использующей новые эффективные алгоритмы диагностирования и позволяющей локализовать и устранить неисправности в кратчайшие сроки [1].

Библиографический список

1. Дунаев М.П. Экспертные системы для наладки электроприводов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. 138 с.

2. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. М.: Энергоатомиз-дат, 1991. 160 с.

3. Дунаев М.П. Экспертная система для наладки электроприводов (ЭСНЭП) // Математические и информационные технологии в энергетике, экономике, экологии: труды Все-рос. научн.-техн. конф. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2003. С. 179-188.

4. Дунаев М.П. Новые логические алгоритмы диагностирования // Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири: труды Всерос. научн.-техн. конф. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. С. 30-34.

5. Дунаев М.П. Модернизированные алгоритмы диагностирования // Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири: труды Всерос. научн.-техн. конф. Иркутск: ИрГТУ, 2003. С. 41-45.

6. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин: учебник для вузов. Л.: Энергия, 1975. 296 с.

УДК 621.311.001

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ PMU ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

© В.С. Степанов1, Н.Н. Солонина2, А.С. Смирнов3, К.В. Суслов4, З.В. Солонина5

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Одной из серьезных проблем нормального функционирования энергосистем является нарушение работоспособности воздушных и кабельных ЛЭП. Особую опасность представляют короткие замыкания. Вероятность возникновения коротких замыканий уменьшается, но не сводится к нулю по мере повышения качества монтажа, надежности изоляторов и проводниковых материалов. Короткие замыкания приводят к отключению отдельных предприятий и целых регионов. Предложенный метод основывается на том, что ток короткого замыкания в начале линии зависит от расстояния до точки короткого замыкания. В данной статье рассматриваются следующие вопросы: теоретическая возможность определения места повреждения по моментам прихода откликов в начало и конец линии; разработка алгоритма обработки первичной информации; разработка структурной схемы дополнительных устройств, которые не предусмотрены в составе PMU. Ил. 4. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: векторные измерения; системы электроснабжения; Smart Grid; определение места повреждения.

1Степанов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89149228606, e-mail: stepanov@istu.edu

Stepanov Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89149228606, e-mail: stepanov@istu.edu

2Солонина Нафиса Назиповна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89500846006, e-mail: otep@istu.edu

Solonina Nafisa, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89500846006, e-mail: otep@istu.edu

3Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu

Suslov Konstantin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu

4Смирнов Анатолий Серафимович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89027673385, e-mail: otep@istu.edu

Smirnov Anatoly, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89027673385, e-mail: otep@istu.edu

5Солонина Зоя Валерьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: otep@istu.edu

Solonina Zoya , Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89500846006, e-mail: otep@istu.edu

PMU USE TO LOCATE SHORT-CIRCUIT IN POWER LINES

V.S. Stepanov, N.N. Solonina, A.S. Smirnov, K.V. Suslov, Z.V. Solonina

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

One of the serious problems of the normal operation of power systems is failing of overhead and cable power lines. Short circuits are particularly hazardous. The higher installation quality and reliability of insulators and conducting materials -the lower the probability of short circuits, however it is not reduced to zero. Short-circuits lead to the cutoffs of individual enterprises as well as entire regions. The proposed method is based on the fact that the short circuit current at the beginning of the line depends on the distance to the fault point. The article discusses the following topics: theoretical possibility of fault location by the time of response arrivals to the beginning and end of the line; development of the algorithm for primary information processing; development of the block diagram of additional devices that are underspecified in the PMU structure. 4 figures. 4 sources.

Key words: Phasor measurement; power supply systems; Smart Grid; fault location.

Введение. Электроэнергетика - это одна из самых динамичных отраслей техники, использующая достижения фундаментальных и прикладных наук. На данном этапе особое значение приобретает глобальная система мирового времени (UT). Еще два десятилетия назад мировое время было уделом специализированных организаций: космос, оборона, астрофизика и др. С внедрением глобальной системы позиционирования GPS появилась возможность получать сигналы точного времени на отдельной подстанции и использовать это точное время для решения широкого круга задач. На основе этих технологий, в частности, стало возможно развитие и внедрение интеллектуальных электрических систем Smart Grid и регистраторов векторных параметров PMU.

Одной из серьезных проблем нормального функционирования энергосистем является нарушение работоспособности воздушных и кабельных ЛЭП. Особую опасность представляют короткие замыкания. Вероятность возникновения коротких замыканий уменьшается, но не сводится к нулю по мере повышения качества монтажа, надежности изоляторов и проводниковых материалов. Короткие замыкания приводят к отключению отдельных предприятий и целых регионов. Это накладывает повышенные требования к надежности и быстродействию релейной защиты. Однако, если произошло короткое замыкание и релейная защита успешно сработала, остается задача оперативного и, по возможности, точного определения координат места короткого замыкания. Это, в конечном счете, позволяет быстро восстановить ЛЭП и запустить ее в эксплуатацию, что, в свою очередь, приведет к минимуму экономических потерь.

В электроэнергетике возможны два вида исследования: активный и пассивный эксперименты. Примером активного эксперимента является зондирование поврежденной ЛЭП с помощью коротких импульсов тока и оценка времени реакции. Это время зависит от расстояния от начала линии до точки короткого замыкания. Недостатком активного эксперимента является необходимость специального оборудования и времени на подготовку и проведение эксперимента. Пассивный же эксперимент принципиально позволяет, используя современные высокоскоростные цифровые технологии, получать информацию (мгновенные зна-

чения тока и напряжения, фазы напряжения и тока), непосредственно от сигналов, связанных с процессами в ЛЭП после короткого замыкания, то есть в режиме текущего времени. Одно из возможных решений этой проблемы связано с зависимостью тока в начале линии от расстояния до точки короткого замыкания [1], [2], [3], [4]. Однако здесь есть причины, снижающие точность определения места повреждения, а именно: колебания действующего значения напряжения в точке присоединения ЛЭП, а также зависимость амплитуды тока от фазы напряжения в момент короткого замыкания. Авторы предлагают использовать временные факторы, связанные с конечной скоростью (Vф) передачи энергии (электрического сигнала) вдоль ЛЭП. Совершенно очевидно, что от места повреждения в обе стороны вдоль линии будет распространяться отклик («эхо») в виде фронта нарастания или спада напряжения или тока, а момент прихода отклика в начало и конец линии может быть зафиксирован с высокой точностью.

В данной статье рассматриваются следующие вопросы:

- теоретическая возможность определения места повреждения по моментам прихода откликов в начало и конец линии;

- определение возможности использования имеющейся инфраструктуры РМи для определения вышеупомянутых моментов времени и передачи информации в обрабатывающий центр;

- разработка алгоритма обработки первичной информации;

- разработка структурной схемы дополнительных устройств, которые не предусмотрены в составе РМи.

Основные положения подхода. Идею предлагаемого метода рассмотрим на примере ЛЭП без ответвлений с односторонним питанием.

На рис.1 представлена расчетная схема для определения места короткого замыкания с учетом времени прихода информационных сигналов в начало и конец линии.

Пусть в момент короткого замыкания tsc в точке К (рис.1) произошло короткое замыкание и начинается переходный процесс. Примем следующие упрощающие допущения:

- напряжение в точке К падает до нуля;

- длина рассматриваемой линии много меньше длины падающей волны тока А (А=5000 км на частоте 50 Гц);

- можно принять, что в установившемся режиме вдоль всей линии мгновенные значения тока и напряжения неизменны.

-О-

11

к

-о—

Ф

и1

и2

-О-

¡1

-О-

ч

Ь

1г

Рис. 1. Расчетная схема короткого замыкания в линии: I - длина линии; 11,12 - соответственно расстояния от точки короткого замыкания до начала и конца линии; 11, ¡2, и1, и2 - соответственно ток и напряжение первого и второго участков линии

На рис. 2 представлена модель линии с сосредоточенными параметрами для расчета переходного процесса в линии с распределенными параметрами.

(1) о-

11

2-а

1ё1 ¡г1

> к <

1Г2

1Ш2

2ил

и1

иШ1

иГ1

(2) -О

иё2

иГ2

Рис. 2. Модель линии для расчета переходного процесса в линии

На рис. 2 приняты следующие обозначения: -волновое сопротивление линии; Iй1 - падающая волна тока первого участка, т.е. от начала линии до точки короткого замыкания; 1г1 - отраженная волна тока первого участка; - падающая волна напряжения первого участка; - отраженная волна напряжения первого участка; - падающая волна тока второго участка, т.е. от точки короткого замыкания до конца линии; - отраженная волна тока второго участка;

- падающая волна напряжения второго участка; иг2 - отраженная волна напряжения второго участка.

С помощью модели легко показать, что в момент

^во

I г 1 = I й 1 и иг 1 = ~и й 1.

Из этого следует, что в направлении от точки «К» к началу линии перемещаются со скоростью Уф положительный фронт волны тока и отрицательный фронт волны напряжения. Фронты могут быть обнаружены с

помощью датчиков тока и напряжения. Момент ^ их прихода в начало линии может быть зафиксирован с большой точностью с помощью часов, время которых синхронизировано с мировым временем.

На втором участке линии также имеет место переходный процесс. В момент в ток /2 и напряжение и2 в начале второго участка обращаются в ноль, из чего следует, что

' й2 + 'г2 =0 : 'г2 = "'й 2: и й 2 + иг 2 = 0 : иг 2 = "и й 2-

Следовательно, от точки «К» к концу линии перемещаются отрицательные фронты тока и напряжения. Момент ^ прихода этих фронтов в конец линии может быть зафиксирован с помощью датчиков тока и напряжения и высокоточных часов.

Покажем, что, зная и и 12, можно определить место короткого замыкания. Для этого рассмотрим геометрическую модель линии, в которой произошло короткое замыкание.

Методика определения места короткого замыкания поясняется на рис. 3.

Рис.3. Схема для вывода алгоритма определения координаты точки К

На рис. 3 обозначено: (1), (2) - точки установки первичных датчиков тока (/), напряжения (и) и хронометров (0; А - геометрическая середина линии; В -блоки обработки информации датчиков тока и напряжения; Д I - расстояние от середины линии А до точки короткого замыкания К.

Используя схему, определяем - время распространения волны от точки короткого замыкания до начала линии:

Д 11 =

Аналогично находим - время распространения

волны от точки короткого замыкания до конца линии: Д *2 = -.

Выразим время t1 прихода сигнала (отклика) в

¡

2

начало линии через время короткого замыкания:

= ^sc + At 1;

аналогично находим время t2 прихода отклика в конец линии:

t2 = tsc + At 2. Определяем разность времени прихода откликов в начало и конец линии:

k 12 2ДI ' - ' 2= A " A = ^ =

и окончательно определяем Al

( h -12) 7Ф

Зная Al, находим 11 и 12 по формулам

L = -- Al,

1 2 I

А1= .

к = А .

Если точка К находится ближе к началу линии (левее точки А), то А >0. Если точка К находится ближе к концу линии, то А <0.

При использовании временного фактора очень остро стоит вопрос о точности определения моментов ^ и

Предлагается использовать имеющуюся инфраструктуру РМи (рис .4).

Регистратор векторных параметров (РМи) позволяет осуществлять векторное измерение токов и напряжений в заданных точках энергосистемы. Под векторным измерением понимается одновременное измерение как действующего значения, так и фазы тока и напряжения. Эти параметры позволяют расчетным путем определять текущие значения передаваемых мощностей, падения напряжений на участках линии, потерь мощности в линии и т.д. Само по себе измерение действующих значений и фаз токов и напряжений не представляет собой новую задачу. Однако подобные измерения, будучи возможными, не

получили распространения, так как для управления системы в динамическом режиме требуется, чтобы информация была однозначно связана с мировым временем. Например, чтобы определить потери в линии, необходимо одновременно измерять активную мощность в начале и конце линии точно в одно и то же время.

Для точного определения времени события дискретность измерения времени РМи недостаточна, поэтому необходимо в точках измерения с помощью дополнительных устройств сформировать свои временные (счетные) импульсы с малым интервалом времени, к примеру, 10 с.

Рассмотрим использование РМи и дополнительных устройств для точного определения времени и и 2 Эти импульсы формируются генераторами импульсов, установленными в блоках В1 и В2, и поступают на вход счетчиков импульсов, расположенных в блоках t. Импульсы вырабатываются с одинаковой частотой. На выходах блоков t получаем соответственно 11 и 12 в форме:

t1 = t

gps

+ ndt,

12 = tgps + mdt, (5) где tgps - синхроимпульс от спутника GPS, который содержит полную информацию о мировом времени, а именно: год, месяц, день час, минута , секунда, доли секунды; n, m - соответственно число счетных импульсов от прихода tgps до момента прихода отклика от короткого замыкания на вход линии и на выход линии.

На рис. 4 приняты следующие обозначения: SSI-питающая подстанция; SS2- приемная подстанция; L-длина линии; АС - атомные часы; GPS1, GPS2 - спутники, вырабатывающие сигналы точного времени; SC - управляющий центр; SS1, SS2 - подстанции сети; tUT - временной импульс атомных часов; h - высота

Рис.4. Инфраструктура PMU

спутника над Землей в районе расположения подстанций; в1, в2 - углы, под которыми виден спутник соответственно с SS1 и SS2; L - расстояние между подстанциями.

Определяем разность времени прихода откликов в начало и конец линии, используя выражения (4) и (5):

Зная и и t2, находим М, Iь 12 согласно выражениям (1), (2), (3).

Заключение. Этот метод является перспективным, так как для его осуществления используется в значительной мере аппаратура РМи, а расходы, связанные с разработкой и использованием дополнительных средств, незначительны.

h ~ h = (п ~ т)^

Библиографический список

1. K.V. Suslov, N.N. Solonina, A.S. Smirnov Improving the reliability of operation Microgrids // 2012 IEEE International Energy Conference and Exibition ENERGYCON 2012 Towards user-centric smart systems. Florence Italy, 9-12 September 2012

2. Солонина Н.Н., Суслов К.В., Смирнов А.С. Повышение надежности функционирования автономных систем электроснабжения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. №10(69). С. 240-245.

3. K.V.Suslov, N.N.Solonina, A.S.Smirnov. "Smart meters for distributed filtering of high harmonics in Smart Grid" // III International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, Powereng 2011, Spain, Malaga 2011.

4. K.V.Suslov, N.N.Solonina, A.S.Smirnov, "Smart Grid: A new way of receiving primary information on electric power system state" // IEEE pEs Innovative Smart Grid Technologies Europe 2011, Manchester, UK 2011.

УДК 621.311.1

УПРОЩЕННЫЙ УЧЕТ КРИТЕРИЕВ НАДЕЖНОСТИ И СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМООБРАЗУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

© И.Ю. Усов1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены главные функции системообразующей электрической сети и цели ее развития. Проблема оптимизации развития сети сформулирована в виде задачи линейного программирования. Предложены алгоритмы упрощенного учета критериев надежности и статической устойчивости при оптимизации развития системообразующей электрической сети на основе показателей структурного анализа электроэнергетических систем. Обоснована практическая востребованность создаваемого на базе предлагаемых алгоритмов программно -вычислительного комплекса. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: системообразующая электрическая сеть; линейная модель; оптимизация; статическая устойчивость; надежность.

SIMPLIFIED ACCOUNTING OF RELIABILITY AND STATIC STABILITY CRITERIA UNDER ELECTRIC GRID EXPANSION OPTIMIZATION I.Yu. Usov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article considers the major functions of the backbone electric grid and its expansion goals. The problem of electric grid expansion optimization is formulated as a linear programming task. The algorithms of simplified accounting of reliability and static stability criteria under the optimization of backbone grid expansion are proposed on the basis of the methodology of the structural analysis of electric power systems. The practical relevance of the software package based on the proposed algorithms has been justified. 1 figure. 1 table. 7 sources.

Key words: backbone electric grid; linear model; optimization; static stability; reliability.

Главными функциями системообразующей электрической сети (СЭС) электроэнергетических систем (ЭЭС) являются: выдача мощности крупных электростанций, электроснабжение крупных узлов нагрузки (промышленных кластеров, мегаполисов и др.) и осуществление параллельной работы энергосистем в составе Единой энергетической системы России для

обеспечения системного эффекта [1]. Эти функции определяют иерархию решений о развитии СЭС, а также необходимую заблаговременность их принятия. Важной особенностью этих решений является то, что они принимаются, как правило, после определения структуры и размещения генерирующих мощностей и последовательно уточняются по мере снижения не-

1Усов Илья Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, младший научный сотрудник ИСЭМ СО РАН, тел.: 89149055292, e-mail: ilyaus@bk.ru

Usov Ilya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, Junior Researcher of L.A. Melentiev Energy Systems Institute SB RAS, tel.: 89149055292, e-mail: ilyaus@bk.ru