Способ одностороннего волнового определения места повреждения
METHOD FOR UNIDIRECTIONAL WAVE DETERMINATION OF THE DAMAGE SITE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике, и может быть использовано для определения места повреждения на линии электропередачи.
При описании изобретения используются следующие термины:
- фронт первоначальной волны: фронт волны, сформированной в месте возникновения повреждения на линии электропередачи (ЛЭП) и достигшей места установки устройства;
- фронт первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны: фронт волны, сформированной в месте повреждения и возникшей в месте установки устройства после отражения от противоположного конца ЛЭП;
- фронт отраженной от места повреждения первоначальной волны: фронт волны, достигшей места установки устройства после отражения первоначальной волны от места повреждения.
Известен способ одностороннего волнового определения места повреждения (Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. – М.: Энергоиздат, 1982. – 312 с.), согласно которому фазные электрические величины в месте измерений преобразуют в контролируемый сигнал и выявляют в нем моменты возникновения фронта первоначальной волны  и фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны . После этого рассчитывают расстояние до места повреждения
, (1)
где  – скорость распространения волны в линии без потерь.
В рассматриваемом способе место повреждения определяют на основе скорости распространения волны в линии без потерь. Поскольку фактическая скорость распространения волны отличается от скорости в линии без потерь, то принятое допущение приводит к увеличению погрешности определения расстояния до места повреждения.
Этот недостаток устранен в способе одностороннего волнового определения места повреждения (US 8990036 B1, опубликовано 24.03.2015). Согласно ему фазные электрические величины в месте измерений преобразуют в контролируемый сигнал и выявляют в нем момент возникновения фронта первоначальной волны. По расстоянию до места повреждения, определенному другим способом, находят оценки моментов возникновения фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны и фронта первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны. Относительно упомянутых оценок моментов возникновения фронтов задают временные окна, в пределах которых обнаруживают фронт отраженной от места повреждения первоначальной волны и фронт первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны и выявляют моменты их возникновения. После этого общеизвестным способом, например, по алгоритму (1), определяют предварительное расстояние до места повреждения на основе скорости распространения волны в линии без потерь.
Для локализации истинного места повреждения определяют фактическую скорость распространения волны вдоль ЛЭП с помощью волны, отраженной от места известной неоднородности ЛЭП (например, места присоединения ответвления, места смены типа опор или места перехода воздушной линии в кабельную). Фактическую скорость распространения волны в ЛЭП определяют по алгоритму:
, (2)
где  – расстояние до места известной неоднородности на ЛЭП;
– момент возникновения фронта волны, отраженной от места известной неоднородности ЛЭП;
– как и прежде, момент возникновения фронта первоначальной волны. После этого переопределяют расстояние до места повреждения по алгоритму (1), используя вместо скорости  фактическую скорость распространения волны в ЛЭП  (2).
В случае отсутствия неоднородности рассматриваемый способ теряет способность определить фактическую скорость распространения волны в ЛЭП , и, следовательно, место повреждения, определенное согласно алгоритму (1) на основе скорости распространения волны в линии без потерь , будет найдено со значительной погрешностью.
Этот способ является наиболее близким к предлагаемому способу по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату, и принят за прототип.
Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, заключается в повышении надежности определения расстояния до места повреждения.
С этой целью в известный способ одностороннего волнового определения места повреждения ЛЭП, согласно которому фазные электрические величины в месте измерений преобразуют в контролируемый сигнал и выявляют в нем момент возникновения фронта первоначальной волны, по расстоянию до места повреждения, определенному другим способом, находят оценки моментов возникновения фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны и фронта первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны, относительно упомянутых оценок моментов возникновения фронтов задают временные окна, в пределах которых обнаруживают фронт отраженной от места повреждения первоначальной волны и фронт первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны и выявляют моменты их возникновения, определяют фактическую скорость распространения волны в ЛЭП и на ее основе расстояние до места повреждения, вводят новые операции, позволяющие определять фактическую скорость распространения волны и при отсутствии неоднородности на ЛЭП. Их сущность заключается в том, что в момент возникновения фронта первоначальной волны запускают два счетчика времени, первый из которых останавливают в момент возникновения фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны, а второй – в момент возникновения фронта первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны. Оценивают фактическую скорость распространения волны в линии электропередачи как скорость пробега волной расстояния, равного удвоенной длине линии электропередачи, за время, равное сумме показаний счетчиков времени.
Вторая реализация способа отличается тем, что определение расстояния до места повреждения осуществляют на основе фактической скорости распространения волны в ЛЭП  по алгоритму:
На фиг. 1 показана диаграмма распространения волн по ЛЭП с известной неоднородностью D в виде ответвления. Фиг. 2 иллюстрирует работу предлагаемого способа.
Как в прототипе, так и в предлагаемом способе при определении места повреждения  используются измерения фазных напряжений  или фазных токов  в месте установки устройства (на фиг. 1 и 2 обозначено флажком), где  – обозначение фаз. Фазные напряжения  или фазные токи  преобразуют в контролируемый сигнал.
При пояснении принципа действия способа будем полагать, что контролируемый сигнал получен путем преобразования фазных токов . Работа способа при контролируемом сигнале, полученном путем преобразования фазных напряжений , будет аналогична.
Контролируемый сигнал создают в два этапа. На первом этапе три фазных тока ,  и  линейно преобразуются, например, по одному из правил преобразования Кларк (V. Alekseev, V. Petrov and V. Naumov, "Invariance of Modal Transformations of Electrical Values in Traveling Wave Fault Locator," 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2020, pp. 1-5, doi: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111912)
Примем для определенности, что преобразованный таким образом сигнал представлен составляющей . На втором этапе завершается формирование контролируемого сигнала путем заграждения составляющей промышленной частоты в сигнале .
Если бы фактическая скорость  распространения волны в ЛЭП  была известна, то расстояние до места повреждения определялось бы по моментам возникновения фронта первоначальной волны  и фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны  как
(3)
В простейшем случае за момент возникновения фронта первоначальной волны  можно принять момент достижения абсолютным значением контролируемого сигнала некоторого порога (E. O. Schweitzer, A. Guzmán, 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).
Для повышения надежности селекции отраженной от места повреждения первоначальной волны и первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны из множества других волн в предлагаемом способе, так же как и в прототипе, задают два  окна. Положение первого из них задается оценкой момента возникновения фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны , вычисленной на основе расстояния до места повреждения, определенного другим способом :
Другое  окно задается оценкой момента возникновения фронта первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны :
Обратим внимание, что оценка момента возникновения фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны  и оценка момента возникновения фронта первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны  используют скорость распространения волны в линии без потерь  и не учитывают отклонения расстояния до места повреждения, определенного другим способом , от расстояния до места повреждения  (фиг. 2). Заданные таким образом  окна облегчают обнаружение в первом случае фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны, а во втором – фронта первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны, избегая путаницы при выборе фронтов волн.
Все вышеописанное относится как к прототипу, так и к предлагаемому способу.
Отличие между прототипом и предлагаемым изобретением заключается в способе определения фактической скорости распространения волны в ЛЭП.
В прототипе фактическая скорость распространения волны в ЛЭП  определяется моментом возникновения фронта волны, отраженной от места известной неоднородности ЛЭП  (от места D на фиг. 1) первоначальной волны:
,
где  – расстояние до места известной неоднородности на ЛЭП;
– как и прежде, момент возникновения фронта первоначальной волны. Для прототипа принципиально важно наличие на ЛЭП неоднородности, расстояние до которого известно. Поэтому прототип теряет способность определения фактической скорости распространения волны  на однородной ЛЭП (фиг. 2).
В предлагаемом способе при определении фактической скорости распространения волны в ЛЭП  используются волны, так или иначе связанные с местом повреждения. Фактическая скорость распространения волны в ЛЭП  в конечном итоге определяется временем, в течение которого волна проходит путь, равный удвоенной длине ЛЭП. Так как ЛЭП разделяется местом повреждения на два участка, то упомянутое время равно сумме времен двойного пробега волной первого и второго участков. Каждое из этих времен двойного пробега определяется с помощью своего счетчика времени, который запускается в момент возникновения фронта первоначальной волны . При этом первый счетчик времени останавливается в момент возникновения фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны , а второй – в момент возникновения фронта первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны  (фиг. 2). Фактическую скорость определяют по алгоритму
где  – длина ЛЭП;
– показание первого счетчика времени, равное времени двойного пробега волной первого участка;
– показание второго счетчика времени, равное времени двойного пробега волной второго участка.
Расстояние до места повреждения рассчитывают по известной фактической скорости распространения волны в ЛЭП  по алгоритму (3).
Таким образом, использование фронта отраженной от места повреждения первоначальной волны и фронта первой отраженной от противоположного конца ЛЭП волны позволяет способу определять фактическую скорость распространения волны и на однородных ЛЭП и повышает надежность определения места повреждения.