СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD FOR LOCATING DAMAGED POINT OF POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано для определения места повреждения линии электропередачи.
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Известен способ определения расстояния до места повреждения линии электропередачи [Патент РФ № 2472169 МПК G01R 31/08, опубл. 10.01.2013, бюл. № 1], заключающийся в том, что измеряют токи и напряжения фаз на первом и втором концах линии, формируют из измеренных токов и напряжений междуфазные токи и междуфазные напряжения, выделяют аварийные составляющие междуфазных токов и аварийные составляющие междуфазных напряжений, фиксируют на первом и втором концах линии моменты времени
и
превышения порогового значения суммой аварийных составляющих междуфазных напряжений и аварийных составляющих соответствующих междуфазных токов, умноженных на коэффициент, равный эквивалентному значению междуфазного волнового сопротивления, и по измеренной разности
вычисляют расстояние до места повреждения.
Недостатком известного способа определения расстояния до места повреждения линии электропередачи является низкая точность.
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
Также известен способ определения места повреждения линии электропередачи [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - M.: Энергоатомиздат, 1982, стр. 18-19], использующий волновой метод двухсторонних измерений, по которому фиксируют электромагнитные волны, возникающие в момент повреждения и распространяющиеся к концам линии, в моменты достижения фронтами волн концов линии измеряют и фиксируют разность времени
прихода фронтов электромагнитных волн к концам линии, а место повреждения определяют путем суммирования половинной длины линии и половинного произведения разности времени
на  скорость распространения электромагнитных волн вдоль линии.
С целью обеспечения точности определения расстояния до места повреждения современные технические решения, являющиеся разновидностью волнового метода двухсторонних измерений, используют глобальную систему позиционирования [например, Патент US № 6597180 B1, опубл. 22.07.2003].
Недостатком известного способа определения места повреждения линии электропередачи является низкая точность.
Наиболее близким техническим решение к предполагаемому изобретению является способ определения места повреждения линии электропередачи [Патент РФ № 2555195 МПК G01R 31/08, опубл. 10.07.2015, бюл. № 19], по которому фиксируют электромагнитные волны, возникающие в месте повреждения и распространяющиеся к концам линии, в моменты достижения фронтами волн концов линии измеряют и фиксируют разность времени прихода фронтов электромагнитных волн к концам линии. Согласно способа перед определением места повреждения проводят имитационное моделирование повреждений с учетом конструктивных особенностей ЛЭП и последующей фиксацией времени прихода фронтов электромагнитных волн к концам линии, по результатам моделирования определяют корректирующие коэффициенты, а место повреждения определяют путем суммирования половинной длинны линии, половинного произведения разности времени прихода фронтов электромагнитных волн на скорость распространения электромагнитных волн, а также корректирующего коэффициента.
Наряду с точностью фиксации времени прихода электромагнитной волны к концам линии важным фактором, влияющим на расчеты расстояния до повреждения является скорость распространения электромагнитной волны. В способе-прототипе предполагается компенсация ошибок определения места повреждения линии электропередачи с использованием имитационного моделирования и получением корректирующего коэффициента, учитывающего изменение скорости распространения электромагнитной волны вдоль линии.
Модельные эксперименты предполагают использование адекватных имитационных моделей, которые достаточно сложно реализовать применительно к особенностям каждой анализируемой ЛЭП.
С точки зрения эксплуатирующих электросетевых предприятий, имеющих статистику повреждений конкретной ЛЭП, целесообразным является использование данных об аварийных отключениях для предварительной оценки скорости распространения электромагнитных волн.
Задача изобретения - повышение точности способа определения места повреждения линии электропередачи.
Поставленная задача достигается способом определения места повреждения линии электропередачи, по которому фиксируют электромагнитные волны, возникающие в месте повреждения и распространяющиеся к концам линии, в моменты достижения фронтами волн концов линии измеряют и фиксируют разность времени прихода фронтов электромагнитных волн к концам линии, место повреждения определяют путем суммирования половинной длинны линии, половинного произведения разности времени прихода фронтов электромагнитных волн на скорость распространения электромагнитных волн, а также корректирующего коэффициента. При этом согласно способа корректирующий коэффициент определяют, как произведение половинной разности времени прихода электромагнитных волн на приращение скорости распространения электромагнитных волн, а приращения скорости распространения электромагнитных волн формируют по результатам обходов линии электропередачи, соответствующих ранее произошедшим повреждениям.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Схемные решения для определения места повреждения линии электропередачи могут быть выполнены с использованием аппаратуры различных производителей, например:
- канадской компании Qualitrol, описания технических решений которой представлены на сайте российского официального представителя www.navi-spb.ru;
- микропроцессорного устройства определения места повреждения «Бреслер-0107.090» ООО «НПП Бреслер», 428018 г. Чебоксары, ул. Афанасьева, д. 13;
- ряда других производителей.
Однако в качестве скорости распространения электромагнитных волн по ЛЭП в этих устройствах принята скорость света с, что приводит к ошибкам расчета расстояния при реальных повреждениях. Поэтому перед началом определения места повреждения линии электропередачи согласно предлагаемого способа производится уточнение скорости распространения электромагнитных волн.
Принципы уточнения скорости распространения поясним примером.
1
i,
N
1
i
N
Пусть имеется ЛЭП А-В, соединяющая подстанции А и В (фиг.1), на которой произошло N повреждений (i=1, …, N). Для каждого из повреждений имеются результаты обходов линии с расчетом расстояния x, …, x…, x и ошибками волнового определения места повреждения анализируемой ЛЭП Δx, …, Δx, …, Δx из-за расхождения расчетного и реального значений.
С учетом данных предшествующих повреждений ЛЭП запишем
<maths num="6"><math display="block"><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mo stretchy="false">[</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><mi>v</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>A</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>B</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mo stretchy="false">[</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><mi>v</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>A</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>B</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>...</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mo stretchy="false">[</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><mi>v</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>...</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mo stretchy="false">[</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><mi>v</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>A</mi><mi>N</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>B</mi><mi>N</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable></math><img file="00000005.tif" he="38" wi="58" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(1)
Аi
Вi
где t и t соответственно время прихода фронта электромагнитной волны на подстанцию А и В при i-м повреждении; L - длина ЛЭП; v - скорость распространения электромагнитной волны.
Перенесем слагаемое 0,5·L в левую часть выражения и введем матричные обозначения
<maths num="7"><math display="block"><mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mn>0,5</mn><mi>L</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mn>0,5</mn><mi>L</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>...</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mn>0,5</mn><mi>L</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>...</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub><mo>−</mo><mn>0,5</mn><mi>L</mi></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>       </mtext><mi>T</mi><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>[</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>t</mi><mrow><mi>A</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>B</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>t</mi><mrow><mi>A</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>B</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>...</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>t</mi><mrow><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>...</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>t</mi><mrow><mi>A</mi><mi>N</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>B</mi><mi>N</mi></mrow></msub></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow></mrow></math><img file="00000006.tif" he="37" wi="83" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(2)
Тогда выражение может быть преобразовано к виду
<maths num="8"><math display="block"><mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mi>T</mi><mo>⋅</mo><mi>v</mi><mo>,</mo></mrow></math><img file="00000007.tif" he="4" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(3)
Применяя метод наименьших квадратов, получим уточненное значение скорости
<maths num="9"><math display="block"><mrow><mi>v</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>T</mi><mi>T</mi></msup><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mi>T</mi><mi>T</mi></msup><mo>⋅</mo><mi>X</mi><mo>.</mo></mrow></math><img file="00000008.tif" he="5" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(4)
После получения уточненного значения скорости формируют приращение скорости Δv, участвующее в расчете корректирующего коэффициента
Δv =с - v,                                                              (5)
где с - скорость света.
Важно отметить, что для более точного волнового определения места повреждения ЛЭП необходимо выбрать данные предыдущих повреждений ЛЭП как можно ближе к предполагаемому месту повреждения.
После установки комплектов устройства волнового определения мест повреждения на противоположные концы ЛЭП предлагаемый способ может быть реализован. При возникновении повреждения, например, пробоя изоляции воздушной ЛЭП на землю, формируются распространяющиеся в обе стороны электромагнитные волны напряжения. Указанные волны регистрируются комплектами устройства волнового определения мест повреждения. Регистрация осуществляется на основе синхронизированного отсчета времени на обоих концах линии с использованием глобальной системы позиционирования. Информация о времени регистрации электромагнитной волны с противоположного конца ЛЭП передается с помощью канала связи на комплект, осуществляющий расчет расстояния до повреждения.
С этой точки зрения, для обеспечения высокой точности предлагаемого способа целесообразно применять следующую последовательность операций при возникновении повреждения на ЛЭП.
1. В моменты достижения фронтами волн от повреждения концов линии измерение и фиксацию разности времени прихода фронтов электромагнитных волн к концам линии.
2. Расчет расстояния до места повреждения x в предположении, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - M.: Энергоатомиздат, 1982, стр. 18-19]
x= 0,5[L+ сΔt],
А
В
где для рассматриваемого примера (фиг.1) Δt=(t - t).
3. Выбор из массива предыдущих повреждений совокупности точек (например, трех), наиболее близко расположенных к предполагаемом месту повреждения (фиг.1).
4. По совокупности отобранных точек расчет уточненного значения скорости по выражению (4).
кор
5. Вычисление корректирующего коэффициента Δx
Δv =с - v,
кор.
Δx= Δv Δt.
точ.
6. Расчет уточненного расстояния до места повреждения xс учетом корректирующего коэффициента
точ.
кор.
x= x - Δx.
Точность предлагаемого метода проанализирована с использованием программного продукта PSCAD. Моделировался участок сети 220 кВ (фиг.2). Параметры ЛЭП участка сети 220 кВ приведены в табл.1.
Таблица 1 - Параметры участков моделируемой электрической сети 220 кВ
Участок
Длина, км
Марка провода
Марка троса
Тип опоры
Удельное сопротивление грунта, Ом·м
i-j
57
АС-400/51
С-70
П-220-2т
4000
j-m
46
АСО-300/39
С-70
ПБ-220-1
100
m-n
132
АС-240/32
С-70
П-220-1т
1000
Комплекты волнового устройства определения места повреждения расположены в узлах i и m, данные об ошибках при расчете расстояния для предыдущих повреждений приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Погрешности расчета расстояния при предыдущих повреждениях ЛЭП
Действительное расстояние до повреждения от узла i, км
Ошибка расчета расстояния до повреждения, м
10
530
30
445
50
345
60
310
80
210
100
95
110
45
150
-170
190
-415
230
-705
Проводилось моделирование коротких замыканий в точках, не совпадающих с ранее зафиксированными в процедурах определения места повреждения. Уточненная скорость рассчитывалась по трем ближайшим к короткому замыканию точкам. Результаты имитационных испытаний сведены в табл. 3.
Таблица 3 - Сравнение точности двухстороннего волнового определения места повреждения [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - M.: Энергоатомиздат, 1982, стр. 18-19] и предлагаемого способа с уточнением скорости
Расстояние от узла i до  имитируемого места повреждения, км
Время прихода элетромагнитной волны до ПСi  t<sub>i</sub>, мс
Время прихода элетромагнитной волны до ПСm t<sub>m</sub>, мс
Расчет расстояния по двухстроннему волновому способу, м
Ошибка расчета рассояния по двухстроннему волновому способу, м
Уточненная скорость распростанения электромагнитных волн, м/с
Расчет расстояния до повреждения по предлагаемому способу, м
Ошибка расчета расстояния по предлагаемому способу, м
1
1,0035
1,7825
650
350
299068021
1013
-13
20
1,0669
1,719
19685
315
299005707
20009
-9
40
1,1337
1,6522
39725
275
298910990
40007
-7
70
1,2338
1,5518
69800
200
298809984
69989
11
90
1,3007
1,485
89855
145
298535402
89990
10
130
1,4345
1,3512
129995
5
298926842
129950
50
170
1,5684
1,2174
170150
-150
299102256
169992
8
210
1,7025
1,0837
210320
-320
298883348
209975
25
234
1,7833
1,0035
234470
-470
298861000
234026
-26
Примечание: погрешность оценки расстояний при моделировании составляла 60 м.
Анализ табл.3 показывает, что погрешность предлагаемого способа определения места повреждения линии электропередачи лежит в пределах погрешности имитационного моделирования, обусловленной дискретными отсчетами времени.
Сравнение погрешностей способов определения места повреждения линии электропередачи представлено на фиг.3. На фиг.3 сплошная линия соответствует способу [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - M.: Энергоатомиздат, 1982, стр. 18-19], а штриховая - предлагаемому способу с учетом корректирующих коэффициентов на основе уточнения скорости распространения электромагнитных волн.
Исследования показали (фиг.3, табл.3), что ошибка определения места повреждения линии электропередачи по предлагаемому способу не зависит от расстояния до места повреждения.
Таким образом, за счет предварительного уточнения скорости распространения электромагнитных волн по ЛЭП с использованием данных эксплуатационной аварийной статистики, получения на этой основе корректирующих коэффициентов, обеспечивается цель предлагаемого изобретения - повышение точности определения места повреждения линии электропередачи.