СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО ФИДЕРА ПРИ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
METHOD FOR DETERMINATION OF DAMAGED FEEDER AT EARTH FAULT IN DISTRIBUTING MAINS

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите распределительных сетей, - это сети с малыми токами установившегося замыкания на землю, где существует проблема определения поврежденного фидера.
Известен способ распознавания аварийных ситуаций в линии электропередачи, основанный на использовании ее модели [1]. Моделируется та или иная аварийная ситуация, и модель поврежденной линии содержит по крайней мере один варьируемый параметр - координату места предполагаемого повреждения. Оценить координату помогает критерий повреждения. В сетях с большим током замыкания на землю критерий повреждения имеет отчетливую формулировку - переход реактивной мощности предполагаемого повреждения через нулевое значение [2]. В распределительных сетях, где процесс замыкания носит интенсивный характер лишь в течение ограниченного времени, подобного критерия не существует.
Известен более общий способ распознавания аварийных ситуаций в электрической системе с использованием моделей входящих в нее линий электропередачи [3]. Он позволяет разграничить линии, определив одну поврежденную, но лишь при условии многостороннего наблюдения электрической системы, что не имеет места в распределительных сетях.
Известен способ определения поврежденных фаз или поврежденного фидера на основе выделения аварийных слагаемых электрических величин [4]. К аварийным относятся в том числе и наиболее доступные для регистрации нулевые составляющие напряжения на шинах подстанции и нулевые составляющие токов в отходящих от нее фидерах. В современной микропроцессорной релейной защите наблюдаются отсчеты электрических величин. Наблюдаемое напряжение можно включить в модель электрической сети в виде источника напряжения, но поскольку модель аналоговая, то зафиксированные отсчеты должны быть подвергнуты цифроаналоговому преобразованию. Последующие операции определяются принятым критерием выявления поврежденного фидера. В обсуждаемом способе [4] критерием служит направление передачи энергии аварийных составляющих напряжений и токов. Эта энергия, согласно теоретическим представлениям, должна выходить из поврежденного фидера и входить в неповрежденные. Однако экспериментальная проверка этого способа в распределительных сетях обнаружила существенный недостаток энергетического критерия. Энергия определяется интегрированием во времени мгновенной мощности, а при этом неизбежно накапливаются ошибки, обусловленные погрешностью измерительных трансформаторов.
Целью предлагаемого технического решения является повышение селективности способа определения поврежденного фидера при замыкании на землю в распределительной сети.
Поставленная цель достигается тем, что к известным признакам добавлены новые, реализующие идею отказа от критериев поврежденного фидера и переходу к критерию неповрежденного состояния. Востребованы следующие признаки известного технического решения: фиксация (регистрация) отсчетов напряжения нулевой последовательности на общих шинах распределительной сети, а также фиксация тока нулевой последовательности в каждом фидере, наблюдение сети ведется в дискретном времени с заданной частотой дискретизации; напряжение нулевой последовательности подвергается цифроаналоговому преобразованию, после чего подается на вход модели каждого фидера контролируемой сети по нулевой последовательности. В известных технических решениях речь идет о моделях поврежденных фидеров. Здесь же используются иные модели, а именно те, что характерны для процессов в каждом неповрежденном фидере. Каждая модель откликается на воздействие преобразованного в аналоговую форму напряжения нулевой последовательности током нулевой последовательности. Аналоговые токи моделей подвергаются аналого-цифровому преобразованию с той же частотой дискретизации, что и токи наблюдаемой сети. Между реальным и модельным током каждого фидера существует расхождение. Оно определяется и служит критерием разграничения поврежденного и неповрежденного состояния фидера.
В дополнительных пунктах формулы изобретения раскрывается механизм определения расхождения между двумя упомянутыми дискретными токами, а также указываются операции, конкретизирующие процедуру выявления поврежденного фидера. Предлагается формировать расхождение между токами в виде среднеквадратического отклонения отсчетов этих токов на интервале наблюдения процесса замыкания на землю, а выявлять поврежденный фидер предлагается путем сравнения величины расхождения токов с уставкой либо путем сравнения величин расхождения токов разных фидеров друг с другом.
На фиг.1 изображена принципиальная схема распределительной сети с двумя фидерами и подключенными к сети измерительными трансформаторами нулевой последовательности, на фиг.2 показана модель одного из фидеров по нулевой последовательности и на фиг.3 - иллюстрация процедуры сравнения двух дискретных токов: одного, наблюдаемого в реальном фидере, и второго, наблюдаемого в модели этого фидера. Фиг.4-6 иллюстрируют теоретические основы предлагаемого способа, на фиг.4 изображена трехфидерная сеть в режиме замыкания фазы одного из фидеров на землю, на фиг.5 - модель той же сети по нулевой последовательности, где фидеры представлены однолинейными цепями, а на фиг.6 та же модель изображена в виде соединения одного трехполюсника и трех двухполюсников.
0,d
0,d+1
0
В схеме распределительной сети указаны общие шины 1, фидеры 2 и 3. К каждому фидеру подключен один из трансформаторов тока нулевой последовательности 4, 5, а к общим шинам подключен трансформатор напряжения нулевой последовательности 6. Наблюдаемые величины нулевой последовательности подаются на аналого-цифровые преобразователи 7-9, выдающие дискретные токи i(k), i(k) и дискретное напряжение u(k), где k - дискретное время (номер отчета), d - номер фидера.
0
0
0,d
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mn>0</mn><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mn>0</mn><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mrow><mn>0,</mn><mi>d</mi></mrow><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mrow><mn>0,</mn><mi>d</mi></mrow><none /></mmultiscripts></mrow>
Модель по нулевой последовательности неповрежденного d-го фидера представлена в виде цепочечной структуры 10 с продольными резистивно-индуктивными элементами и поперечными конденсаторами. Дискретное напряжение u(k) подается на модель через цифроаналоговый преобразователь 11, преобразующий u(k) в аналоговую величину
. На воздействие
модель откликается аналоговым током
, который через трансформатор тока 12 подается на аналого-цифровой преобразователь 13. Последний работает с такой же частотой дискретизации, как и сетевые аналого-цифровые преобразователи 7-9, поэтому выходной сигнал
модельного преобразователя 13 правомерно рассматривать в том же дискретном времени k, что и наблюдаемый ток d-го фидера i(k). Расхождение между током объекта и током его модели определяется компаратором 14, выделяющим среднеквадратическое отклонение двух выборок, каждая из которых состоит из n отсчетов своего тока:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>I</mi><mtext> </mtext><mmultiscripts><mo>=</mo><mprescripts /><mrow><mn>0,</mn><mi>d</mi></mrow><none /></mmultiscripts><mtext> </mtext><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>i</mi><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mrow><mn>0,</mn><mi>d</mi></mrow><none /></mmultiscripts><mo>−</mo><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mrow><mn>0,</mn><mi>d</mi></mrow><none /></mmultiscripts></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mstyle><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><none /><mn>2</mn></mmultiscripts></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
0,d
где ΔI - выходной сигнал компаратора 14.
Теоретические основы предлагаемого способа поясняются на примере трехфидерной сети 15-17, которая в режиме замыкания на землю имеет однолинейную модель 18-20 по нулевой последовательности, а та в свою очередь реализуется структурой с одним трехполюсником 21 и тремя двухполюсниками 22-24.
0,d
0,d+1
0
В нормальном режиме работы распределительной сети уровни всех величин нулевой последовательности полагаются пренебрежимо малыми, в противном случае процесс, предшествующий замыканию, должен быть экстраполирован на время после замыкания и удален из текущего процесса замыкания на землю. После замыкания, произошедшего в одном из фидеров, появляется напряжение нулевой последовательности на общих шинах 1 и токи нулевой последовательности во всех фидерах 2, 3, как в поврежденном, так и в неповрежденном. Величины нулевой последовательности выделяются трансформаторами тока 4, 5 и напряжения 6 и преобразуются аналого-цифровыми преобразователями 7-9 в дискретные сигналы i(k), i(k), u(k)
0
0,d
0,d+1
0,d
0,d+1
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mn>0</mn><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mn>0</mn><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mn>0</mn><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mn>0</mn><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mrow><mn>0,</mn><mi>d</mi></mrow><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mrow><mn>0,</mn><mi>d</mi></mrow><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>⌢</mo></mover><mmultiscripts><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mprescripts /><mrow><mn>0,</mn><mi>d</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><none /></mmultiscripts></mrow>
Напряжение u(k) возвращается в аналоговую форму цифроаналоговым преобразователем 11, и его выходной сигнал
подается на входы моделей всех фидеров. На фиг.2 показана только одна модель. Двойное преобразование напряжения нулевой последовательности необходимо и неизбежно, так как регистрация всех величин происходит в цифровой форме и именно так сохраняется в памяти микропроцессорного терминала, между тем как модель фидера функционирует в непрерывном времени. Выходное напряжение
преобразователя 11 подается на входы моделей всех фидеров распределительной сети, как это показано на фиг.2 применительно к модели 10 одного d-го фидера. Сигнал
в нормальном режиме работы сети находится на нулевом уровне. После замыкания на землю, случившегося в каком-нибудь, например в (d+1)-м фидере 3, уровень этого напряжения скачкообразно нарастает. В модели 10 неповрежденного d-го фидера напряжение
вызовет реакцию в виде аналогового тока
. После его передачи трансформатором тока 12 и аналогово-цифровым преобразователем 13 создается дискретный ток
, близкий к наблюдаемому i(k) неповрежденного фидера 2. Подобная ситуация сложится и в моделях всех прочих неповрежденных фидеров. Исключение составит лишь один поврежденный (d+1)-й фидер 3. Модель этого фидера, как и всех остальных, построена в предположении о его неповрежденном состоянии, вследствие чего ток модели
будет далек от реального тока i(k). Соответственно, на выходе компаратора 14 неповрежденного d-го фидера появится сигнал низкого уровня ΔI а на выходе аналогичного компаратора поврежденного (d+1)-гo фидера сигнал ΔI достигнет высокого уровня.
Выходные сигналы компараторов сравниваются с уставкой, исключающей неселективное поведение наблюдателя вследствие некоторой неадекватности модели реальному объекту.
0,d
Возможно выполнение защиты всех отходящих от подстанции фидеров на одном терминале или же на автономных терминалах для каждого фидера, но с обменом сигналами между ними. В этом случае поврежденный фидер обнаруживает операцию сравнения между собой сигналов ΔI разных фидеров. Наибольший сигнал принадлежит поврежденному фидеру.
0
0f
0f
01
02
0
Предлагаемый способ основан на теоретическом положении, поясняемом на фиг.4-6 и заключающемся в том, что в модели неповрежденного фидера ток нулевой последовательности вполне определяется зафиксированным напряжением нулевой последовательности на общих шинах u(t). Предположим, что в трехфидерной схеме 15-17 произошло замыкание на землю в третьем фидере 17, а два других фидера 15,16 не повреждены. Фидеры обладают распределенной индуктивностью и емкостью на землю. Это параметры нулевой последовательности. Взаимная индуктивность между фидерами полагается пренебрежимо малой. Модель сети по нулевой последовательности представляет собой трехпроводную структуру 18-20 (фиг.5). Так как нагрузки фидеров не имеют связи с землей, то однопроводная модель фидера по нулевой последовательности не несет нагрузки. Наблюдаемый процесс нулевой последовательности создается источником тока 3i, действующим в месте повреждения. С общими шинами его связывает трехполюсник 21 - левый участок фидера (фиг.6). Неповрежденные фидеры 15, 16, представленные моделями 18, 19, по отношению к общим шинам являются двухполюсниками 22, 23, так же как и правая часть 24 поврежденного фидера 20 по отношению к источнику 3i. Структура по фиг.6 вполне объясняет правомерность определения токов 3i и 3i неповрежденных фидеров 15 и 16 по общему для них напряжению на шинах 3u.
Предложенный способ выявления фидера, поврежденного замыканием на землю, позволил обойти проблему выбора критериев повреждения, стоящую особенно остро в распределительных сетях, где встречаются перемежающиеся дуги и резко проявляется нелинейность дуги. Подобный подход, заменяющий целенаправленный поиск поврежденной части системы контролем исправности ее отдельных частей, стал возможен благодаря тому, что напряжение и ток на входе каждого неповрежденного фидера связаны закономерностями, присущими автономной модели только его одного.
Источники информации
1. Патент РФ №2033622, G01R31/11, Н02Н 3/28, 1989.
2. Лямец Ю.Я., Ильин В.А., Подшивалин Н.В. Программный комплекс анализа аварийных процессов и определения места повреждения линии электропередачи. -Электричество, 1996, №12, с.2-7.
3. Патент РФ №2033623, G01R 31/11, Н02НЗ/28,1989.
4. Патент РФ №2050660, Н02Н 3/38, Н02Н 3/26, Н02Н 7/26, 1992.