СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ЗАМЫКАНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ДВУХСТОРОННЕМ НАБЛЮДЕНИИ
METHOD OF DETERMINING OF POINT OF SHORTING OF ELECTRIC POWER TRANSMISSION LINE WITH TWO-WAY OBSERVATION

Изобретение как техническое решение находится на стыке электроэнергетики и электротехники и относится к релейной защите и автоматике линий электропередачи.
Известны способы определения места замыкания линии электропередачи, использующие ее модели [1, 2]. За прошедшее время стало уделяться все большее внимание двухстороннему наблюдению линии. Оно дает более точные результаты, чем одностороннее наблюдение, а передача информации между подстанциями по оптоволоконной связи становится обыденным делом. Между тем, критерии повреждения, используемые при двухстороннем наблюдении, мало отличаются от критериев повреждения при одностороннем наблюдении. Основным остается энергетический критерий, говорящий о том, что модель замыкания диссипативна, т.е. не потребляет и не генерирует реактивную мощность [3], а в более общем случае, - что ее мгновенная мощность неотрицательна.
Существует задача кардинального упрощения и унифицирования процедуры защиты и локации линии электропередачи при двухстороннем наблюдении по сравнению с односторонним наблюдением. Задача обусловлена тем, что информационная база двухстороннего наблюдения несравненно шире и мощнее, чем одностороннего. На решение этой задачи нацелен способ определения места повреждения линии электропередачи [4]. Однако отойти от включения в модель линии резистивной модели повреждения в этом способе все же не удалось. В результате не удалось отойти от трехфазной модели сети и трехфазной в общем случае резистивной модели повреждения, которая вынужденно варьируется в зависимости от вида замыкания. Кроме того, в прототипе упрощение достигается за счет выделения участка электропередачи, моделируемого без учета распределенной емкости, что сужает возможности способа в применении к фидерам - электропередачам с изолированной нейтралью, где процессы, протекающие при замыкании на землю, существенно зависят от емкости фидера относительно земли.
Цель настоящего изобретения - разработка такого способа определения места замыкания линии электропередачи, который был бы инвариантен к виду замыкания (однофазное, междуфазное, двухфазное на землю, трехфазное, в том числе земляные и несимметричные), ограничивался простейшими двухпроводными моделями электропередачи, не требовал привлечения резистивной модели повреждения, был применим как к сетям с глухо заземленной нейтралью, так и к фидерам, разумеется, при условии их двухстороннего наблюдения.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения места замыкания линии электропередачи при двухстороннем ее наблюдении простейшие двухпроводные модели электропередачи используются по-новому, что и дает желаемый положительный эффект. К известным операциям относится фиксация (регистрация) фазных напряжений и токов на обеих сторонах линии, определение их безнулевых (центрированных) составляющих, составление для контролируемой линии двухпроводной модели прямой последовательности и ее тиражирование для каждой фазы. Фиксируются величины как текущего, так и предшествовавшего ему процессов. В конечном счете востребованы аварийные составляющие фазных напряжение и токов, требующие для своего определения информации о сменяющих друг друга процессах.
Новыми являются операции с моделью электропередачи. В модели поочередно создают два различных режима - пассивный и активный - с тем, чтобы выделить те части аварийных составляющих наблюдаемых токов, которые создаются их неизвестным источником, действующим в неизвестном месте электропередачи. Весьма важно, что эти операции универсальны и в равной степени подходят для распознавания любых видов замыканий. В пассивном режиме на входы обеих сторон двухпроводной модели подают безнулевые напряжения (первые напряжения). Фиксируют реакции модели - вторые токи в отличие от первых токов (безнулевых). В активном режиме входы обеих сторон модели шунтируют. Третьи токи, которые протекают через зашунтированные входы, определяют как разности первых и вторых токов. Соотношение между третьими токами противоположных сторон модели любой фазы несет информацию о месте замыкания линии электропередачи, что и используется в предлагаемом способе.
В дополнительных пунктах формулы изобретения приведено конкретное выражение координаты места замыкания для однородной короткой линии (не более 50 км), а также соотношение, определяющее координату замыкания в однородной линии любой протяженности и, наконец, подобное соотношение для неоднородной линии, что представляет собой самый общий случай, правда, при операциях с комплексами электрических величин. В случае применения на линии сверхбыстродействующих выключателей времени наблюдения может оказаться недостаточно для уверенного выделения синусоидальных компонентов. На этот случай, а также учитывая возможность применения данного способа для построения быстродействующей защиты абсолютной селективности, предлагается вариант поиска координаты места повреждения по мгновенным значениям третьих токов на сторонах линии.
ƒ
sv
rv
sv
rv
На фиг.1 представлена схема линии электропередачи высокого напряжения, на которой в неизвестном месте x произошло замыкание произвольного вида. Линия наблюдается на обеих концевых подстанциях. Наблюдаемые величины - напряжения u, u и токи i, i, где s и r - индексы сторон линии; ν=А, В, С - обозначение произвольной фазы.
ƒ
На фиг.2 приведена двухпроводная модель прямой последовательности, составленная для произвольной фазы ν. В модели действуют безнулевые аварийные составляющие напряжений и токов, которым присвоен первый номер. Кроме того, безнулевые составляющие отмечены штрихами: , , , . В двухпроводной модели действует неизвестный источник тока . Место действия xтакже неизвестно.
Фиг.3 показывает локальную двухпроводную модель, которая может быть выделена из общей структуры фиг.2 благодаря результатам наблюдения. На фиг.4 локальная модель показана в пассивном режиме без неизвестного источника  в месте замыкания. На фиг.5 локальная модель переведена в активный режим. В ней по-прежнему неизвестны ток и напряжение источника в месте замыкания, но известны реакции на него  и .
Фиг.6-12 иллюстрируют операции, характеризующие предлагаемый способ. На фиг.6 показано формирование первых напряжений из аварийных составляющих фазных напряжений начала линии. На фиг.7 - то же в отношении первых токов. Четвертый провод на выходе показан пунктиром, так как сумма трех безнулевых составляющих тождественно равна нулю. Фиг.8 и 9 относятся к концу линии, а в остальном повторяют фиг.6 и 7.
f
На фиг.10 показана двухпроводная модель электропередачи произвольного вида. На фиг.11 эта же модель представлена в пассивном режиме, а на фиг.12 - в активном. Фиг.13-15 иллюстрируют заключительную операцию определения координаты места повреждения x. Простейший вариант отражает модель фиг.13. Более сложный, с учетом всех распределенных параметров, - фиг.14. Наиболее общий пример неоднородной модели - фиг.15.
пд
кз
тк
Кроме собственно линии 1 в состав электропередачи входят концевые подстанции 2 и 3, в которых указаны источники 4 и 5, чтобы подчеркнуть тот факт, что наблюдаются фазные напряжения и тока сначала предшествующего режима, а затем текущего режима короткого замыкания. Из них определяются аварийные составляющие. Если u(t) - предшествующее напряжение, где t<t, a u(t) - текущее напряжение, то аварийная составляющая представляет собой разность
s0
s0
r0
r0
где - экстраполяция предшествующего процесса на время после смены режима, выполняемая фильтрами аварийных составляющих [5, 6]. Составляющие нулевой последовательности u, i, u, i выделяются соответствующими измерительными трансформаторами либо определяются как средние арифметические фазных величин. Безнулевые аварийные составляющие получают, устраняя нулевую последовательность в фазных величинах
f
f
В двухпроводных моделях прямой последовательности, составленных для безнулевых аварийных составляющих, в неизвестном месте xдействует единственный неизвестный источник тока  (фиг.2). В моделях подстанций 2, 3 источники 4, 5 устраняются, что отражено закоротками 6, 7. На входе и выходе каждой двухпроводной модели прямой последовательности наблюдаются напряжение и ток , , , . Как следствие, модель линии 8 приобретает независимость от моделей подстанций (фиг.3), а наблюдаемые напряжения могут быть представлены в виде ЭДС 9 и 10, равных  и . Индексы 1 в схемах фиг.2 и 3 относятся к наблюдаемым величинам. Модель по фиг.4 выведена в пассивный режим: по сравнению с общей моделью по фиг.3 в ней не предусмотрено повреждение, и источник аварийных составляющих  устранен. Наблюдаемые напряжения, т.е. ЭДС 9, 10, являются в данном случае источниками пассивного режима. Токи ,  по фиг.5 с шунтами 11, 12 на ее входах находится в активном режиме. В нее возвращен отсутствовавший в пассивном режиме неизвестный источник , и именно в ней осуществляется поиск места повреждения x благодаря тому, что известны токи ,  на ее зашунтированных входах - реакции на неизвестный источник тока.
f
Предлагаемый способ реализуется формирователем 13 безнулевых аварийных составляющих напряжений первой стороны линии, формирователем 14 безнулевых аварийных составляющих токов той же стороны, аналогичными преобразователями 15, 16 напряжений и токов другой стороны. Произвольная двухпроводная модель прямой последовательности 17 на фиг.10 показана без каких-либо источников. Необходимо отметить, что ее второй провод 18 не следует путать с реальной землей, так как он является общим проводом только для безнулевых составляющих. На фиг.11 модель 17 подключена к внешним ЭДС 9, 10, т.е. находится в пассивном режиме, а на фиг.12 она находится в активном режиме, когда определяется координата места замыкания x.
Предлагаемый способ реализуется операцией (1) определения аварийных составляющих электрических величин, операцией (2) формирования безнулевых составляющих. Последняя совершается блоками 13-16. Двухпроводные модели 17 каждой фазы ν=А, В, С функционируют автономно. Модели работают при нулевых начальных условиях, так как все подключаемые к ней источники являются аварийными составляющими.
Принципиально важное значение имеют операции включения модели на ЭДС 9, 10 - источники наблюдаемых напряжений, фиксации токов ,  - реакции модели на эти источники (схемы фиг.4, фиг.11) и определения разностных токов
f
которые в свою очередь являются реакцией на источник аварийных составляющих, создающий в неизвестном месте x ток  и напряжение  Данный способ не предполагает обязательного поиска этого источника. В первую очередь определяется место повреждения. Затем уже может быть определен и ток , что имеет определенный смысл, если требуется подтвердить результаты предварительно проведенной фазовой селекции, т.е. определения поврежденных проводов. Например, при однофазном замыкании фазы А
f
Рассмотрим соотношения между токами  и  и искомой координатой места замыкания x в моделях различной сложности. В короткой линии электропередачи можно пренебречь влиянием распределенной емкости (фиг.13). В однородной двухпроводной модели при этом выполняется равенство
ƒ
Для определения координаты х достаточно выполнить операции с токами ,  в соответствии с выражением
В данном случае предлагаемый способ обладает предельно высоким быстродействием и может быть использован для построения защиты линии абсолютной селективности с функцией локации замыкания.
В линии произвольной длины, когда необходимо учесть распределенную емкость  проще перейти к комплексным напряжениям и токам , , выделяя с помощью фильтров ортогональных составляющих [7, 8] синусоидальные компоненты наблюдаемых величин (фиг.14). Комплексы связаны в однородной двухпроводной модели соотношением
f
где  и  - характеристическое сопротивление и коэффициент распространения прямой последовательности. Отсюда следует выражение для определения координаты x
, , .
f
Наконец, в случае неоднородной модели 17 используются комплексные взаимные проводимости ,  между токами ,  и напряжением  вместе x (фиг.15):
f
В модели мгновенных значений напряжений и токов с учетом распределенной емкости также возможно определение координаты x. Соответствующее соотношение вытекает из разностных уравнений длинной линии [9]:
где
f
f
- волновое сопротивление прямой последовательности,  - время пробега волны вдоль отрезка модели прямой последовательности длиной x,  - то же вдоль отрезка l-x.
0s
0r
0s+
0r+
f
Равенство (7) специфично. Дело в том, что информация о замыкании поступает в начало и в конце линии в разное время, допустим, в моменты t и t соответственно. Поэтому левая часть равенства берется в дискретные моменты времени tkΔt, а правая часть - в моменты tkΔt, где Δt - интервал дискретизации наблюдаемого процесса, k - номер интервала. Замыкание фиксируется в том месте x, где система уравнений, вытекающая из равенства (7), дает наименьшую невязку:
кон
где k - последний момент наблюдения.
Соотношения (4), (5), (6), (8), несмотря на различие в подходах, всего лишь определяют заключительные операции, выделяющие информацию о месте замыкания линии электропередачи, доставляемую токами двухпроводной модели в ее втором, активном режиме. Заключительные операции обладают разной сложностью, но сам способ отличается простотой и универсальностью.
Источники информации
1. Патент РФ №2033622, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.
2. Патент РФ №2033623, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.
3. Заявка РФ №2011147688/28(071514), решение о выдаче патента от 23 апреля 2013 г.
4. Заявка РФ №2012130712/07(048210), решение о выдаче патента от 25 апреля 2013 г.
5. Авторское свидетельство СССР №1817153, H01H 83/22, 1991.
6. Патент РФ №2035815, H02H 3/38, H02H 7/26, H01H 83/22, 1992.
7. Авторское свидетельство СССР №1744733, H01H 83/22, H02H 3/16, 1989.
8. Патент РФ №2030052, H02H 3/40, H01H 83/22, 1992.
9. Караев Р.И., Лямец Ю.Я. О применении разностных уравнений длинной линии. - Электричество, 1972, №11, с.28-36.