Способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели
METHOD OF ADAPTATION OF DISTANCE PROTECTION AND POWER LINE FAULT LOCATION DETECTOR USING MODEL THEREOF

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике линий электропередачи, и может быть использовано при создании устройств защиты и автоматики, требующих высокую степень адаптации характеристик срабатывания к режимам защищаемого объекта.
Известен способ определения места повреждения линии электропередачи [Патент РФ №2552388 «Способ определения места повреждения линии электропередачи», МПК G01R 31/00, опубл. 10.06.2015 Бюл. № 16], включающий хранение в виде моделей информации о параметрах ЛЭП и электросети, получение оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере режима сети, передачу оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере режима сети для вычислений, вычисления расстояния до повреждения и необходимой зоны обхода ЛЭП на основе параметров аварийного режима, номера режима сети и моделей, хранимую в виде моделей информацию о параметрах ЛЭП и электросети периодически корректируют на основании результатов активного зондирования ЛЭП. Согласно способа ЛЭП разбивают на участки, для каждого участка ЛЭП формируют собственный расчет расстояния до места повреждения, представляющий собой взвешенную сумму оценок расстояния до повреждения, определенных по совокупности известных способов определения места повреждения ЛЭП по параметрам аварийного режима, при этом производят выбор наиболее точного набора способов определения места повреждения и последовательности их применения, исходя из ошибок оценки расстояния для разных способов, а веса для суммирования получают по результатам моделирования повреждений ЛЭП и электросети.
Недостатком способа является низкая скорость реализации и невозможность использования в дистанционной защите, поскольку способ предполагает для точных вычислений предварительное активное зондирование ЛЭП и корректировку хранимой в виде моделей информации о параметрах ЛЭП. Способ также обладает низкой точностью определения места повреждения ЛЭП в условиях нарушения требований к качеству электроэнергии.
Известен способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели [Патент РФ №2088012 «Способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели», МПК H02H 03/40, G01R 31/08, опубл. 20.08.1997] по двум режимам короткого замыкания путем измерений напряжений и токов на одной стороне линии, подачи измеренных напряжений первого режима на входы первой модели, подключения к первой модели комплексной нагрузки, подбора нагрузки из условия уравновешивания первой модели по токам на входе, подачи измеренных напряжений второго режима на входы второй модели, подключения к второй модели комплексной нагрузки, подбора нагрузки из условия уравновешивания второй модели по токам на входе, согласно способа к моделям первого и второго режимов линии комплексные нагрузки подключают в местах замыканий, определяют ток в резисторах комплексных нагрузок, отключают реактивные сопротивления комплексных нагрузок, включают вместо резисторов источники определенных токов, подключают модель передающей системы, состоящей из источников напряжения и сопротивлений прямой и нулевой последовательностей, измеряют на входах моделей аварийные токи и напряжения, сравнивают полученные величины с величинами линии, и если разница между ними превышает заданную уставку, определяют комплексные передаточные коэффициенты как отношения измеренных напряжений и токов модели и линии, определяют среднее значение передаточных коэффициентов и с их помощью корректируют входные величины модели и вновь уравновешивают их комплексной нагрузкой и далее продолжают процесс настройки в той же последовательности, фиксируют сближение токов и напряжений моделей и линии, после чего корректируют токи и напряжения линии непосредственно в дистанционной защите и определителе места повреждения линии электропередачи.
Недостатком способа является сложность, поскольку используются две модели линии электропередачи, а также необходимость наличия двух коротких замыканий на линии. Способ также обладает низкой точностью определения места повреждения ЛЭП в условиях нарушения требований к качеству электроэнергии.
Наиболее близким техническим решение к предполагаемому изобретению является способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели [Патент РФ №2584268 «Способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели», МПК G01R31/08, 20.05.2016. Бюл. № 14], согласно которому измеряют аварийные токи и напряжения, выполняют итерационные операции с моделью линии электропередачи и вводят корректировки в дистанционную защиту и определитель места повреждения линии электропередачи, отличающийся тем, что предварительно проводят имитации повреждений в различных точках линии электропередачи, определяют токи и напряжения по меньшей мере на одном конце линии электропередачи, реализуют процедуру определения места повреждения по токам и напряжениям, полученным в результате имитации повреждения, вычисляют разность расстояний между имитируемым местом повреждения и определенным по значениям токов и напряжений по модели, и реализуют адаптацию дистанционной защиты и определителя места повреждения путем корректировки расстояний, определенных в дистанционной защите и определителе места повреждения, на разность расстояний, сформированную в результате имитационного моделирования.
Способ-прототип обладает низкой точностью определения места повреждения ЛЭП в условиях нарушения требований к качеству электроэнергии.
Задача изобретения - повышение точности способа адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения за счет компенсации ошибок расчета расстояния до повреждения из-за нарушений качества электроэнергии.
Поставленная задача достигается способом адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели, согласно которому измеряют аварийные токи и напряжения, выполняют итерационные операции с моделью линии электропередачи и по результатам итерационных операций вводят корректировки в дистанционной защите и определителе места повреждения линии электропередачи, итерационные операции с моделью производят заблаговременно путем имитации повреждений в различных точках линии электропередачи и по значениям токов и напряжений производят определение места повреждения согласно способа определения места повреждения или дистанционной защиты, вычисляют разность расстояний между имитируемым местом повреждения и определенным согласно реализованного способа определения места повреждения или дистанционной защиты и используют полученную разность в качестве корректирующих коэффициентов, а адаптацию способа дистанционной защиты и определителя места повреждения осуществляют путем реализации способа дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи по измеренным аварийным токам и напряжениям в результате короткого замыкания на линии электропередачи с последующей корректировкой результатов на основе полученных заблаговременно корректирующих коэффициентов, отличающийся тем, что по результатам имитаций определяют токи и напряжения на конце (концах) линии электропередачи не только при повреждениях в различных точках линии электропередачи, но и при различных значениях показателей качества электрической энергии, при адаптации дистанционной защиты оценивают показатели качества электроэнергии на основе соответствующих приборов контроля качества, а при адаптации определителя места повреждения оценку показателей качества электроэнергии осуществляют по измеренным аварийным токам и напряжениям, полученные заблаговременно корректирующие коэффициенты формируют с учетом влияния показателей качества электроэнергии на точность определения места повреждения линии электропередачи дистанционной защитой или определителя места повреждения, а выбор корректирующих коэффициентов при реализации способа адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели осуществляют с учетом оцененных показателей качества электроэнергии.
Предлагаемый способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели может быть реализован на микропроцессорной технике. В качестве реализующего устройства может быть выбрано устройство цифровой релейной защиты [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.42].
Устройство (фиг.1) включает: промежуточные трансформаторы тока 1; промежуточные трансформаторы напряжения 2; аналоговые фильтры низких частот 3; коммутатор сигналов 4; аналого-цифровой преобразователь 5; вычислительное устройство 6, содержащее блоки ввода 7 и вывода 8 дискретной информации, цифровой процессор 9, блок памяти 10.
Способ реализуется следующим образом.
x
x
x
f
f
оц
f
Перед включением устройства производится имитационное моделирование повреждений на всех точках анализируемой ЛЭП и при различных значения показателях качества электроэнергии с последующей статистической обработкой информации. По аварийным токам и напряжениям, полученным в результате имитации повреждения в выбранной точке  ЛЭП, реализуется процедура определения места повреждения (ОМП), заканчивающаяся формированием оценки  расстояния до места повреждения. Дополнительно для точки  оценивается влияние различных показателей качества электроэнергии на точность определения места повреждения с построением соответствующих зависимостей ошибок ОМП от длины ЛЭП. Примеры таких зависимостей, полученные по результатам имитационного моделирования приведены на фиг. 2 а - г.
На фиг. 2 приведены распределения ошибок методов ОМП ЛЭП вдоль по длины ЛЭП: а) при отклонении частоты  Гц; б) при отклонении частоты  Гц; в) при одиночном быстром изменении амплитуды напряжения ; г) при несимметрии напряжения по обратной последовательности с коэффициентом несимметрии 4% [ГОСТ 32144 - 2013]. Объектом моделирования являлся участок электрической сети 110/35 кВ, причем имитировались междуфазные замыкания в различных точках линии 35 кВ. Модель была реализована с помощью элементов библиотеки Simulink программного пакета Matlab.
На фиг. 2 введены обозначения:
- Takagi - способ ОМП ЛЭП, изложенный в [T. Takagi et al. Development of new type fault locator using the one terminal voltage and current data // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1982. vol. PAS-101. P. 2892-2898.];
- Ericsson - способ ОМП ЛЭП, изложенный в [L. Eriksson et al. An accurate fault locator with compensation for apparent reactance in the fault resistance re-sulting from remote end infeed // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1985. vol. PAS-104. P. 423-436.];
- Ankamma - способ ОМП ЛЭП, изложенный в [Ankamma Rao J and Bizuayehu Bogale Accurate fault location technique on power transmission lines with use of phasor measurements // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2015. vol. 4. P. 492-495.].
Дополнительно отметим, что влияние некоторых показателей качества на точность ОМП ЛЭП рассмотрено, например, в [Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи/ Под. ред. В.А. Шуина. - М.: Энергоатомиздат. 2003. 272 с.].
e
Для разных способов величина ошибки ОМП ЛЭП при отклонениях качества электроэнергии может быть различной, а при сочетании таких отклонений может измениться и знак ошибки. Таким образом, формирование коэффициентов, обеспечивающих компенсацию ошибок и повышение точности ОМП ЛЭП должно происходить с учетом не только величины, но знака ошибки  (фиг.2). Зависимости, аналогичные представленным на фиг.2, используются для компенсации влияния показателей качества электроэнергии на точность ОМП ЛЭП.
x
x
f
f
оц
омп
Даже в отсутствии отклонений качества электроэнергии между расстоянием до выбранной на ЛЭП точки  и оценочным расстоянием  по результатам ОМП существует разность ΔL
омп
f
оц
f
x
x
ΔL = - , (1)
омп
e
которая зависит от имитируемого места повреждения. Массив разностей ΔL, определенных для каждой имитируемой точки повреждения ЛЭП, используется в процессе реализации способа адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения в составе корректирующих коэффициентов, наряду с ошибкой  из-за отклонений качества электроэнергии.
A
0
A
0
1
k
Входная информация цифрового устройства релейной защиты определяется аналоговыми сигналами U … U, I … I, характеризующими режим электроэнергетической системы в точке А установки защиты, по переменному напряжению и току, и дискретными (в том числе и цифровыми) сигналами X … X, подводимыми к блоку 7 ввода вычислительного устройства 6.
1
k
Сигналы X … X разделяются на группы, воздействуя на различные узлы блока 7, и вводятся обслуживающим персоналом или автоматически. Посредством таких сигналов в память устройства (блок 10) вводятся коэффициенты (зависимости), участвующие в формировании результирующей оценки расстояния (дистанции) при реализации способа адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения. При установке в месте расположения устройства цифровой релейной защиты приборов контроля качества электроэнергии целесообразно использовать такие приборы и цифровые входы устройства защиты для ввода информации о показателях качества электрической энергии. Следует отметить, что для реализации способа адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения и обеспечения требуемого быстродействия дистанционной защиты возможна специальная установка приборов контроля качества электроэнергии.
1
q
1
k
1
q
Сигналы У … У блока ввода 8 воздействуют на отключающие устройства защитного комплекса, другие устройства релейной защиты, регистратор данных, печатающую аппаратуру. Более подробно с использованием сигналов X … X, У … У можно познакомится [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат. 2007. стр.41 - 47.].
Аналоговые сигналы от трансформаторов тока TA и напряжения TV преобразуются промежуточными трансформаторами тока 1, напряжения 2, фильтрами нижних частот 3 и подводятся к коммутатору 4, обеспечивающему поочередную выборку мгновенных значений величин с выходов отдельных фильтров и их запоминание на время, необходимое для правильной работы АЦП 5. В результате выходные сигналы АЦП 5 соответствуют в цифровом виде дискретным сигналам, промодулированным синусоидальными функциями. Каждому аналоговому сигналу U(t) (I(t)) на выходе аналогового фильтра нижних частот 3 соответствует дискретный сигнал U(nT) (I(nT)) на выходе АЦП 5, вводимый в вычислительное устройство 6, осуществляющее цифровую обработку сигналов, согласно предлагаемому способу адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения.
а
а
д
а
д
д
1
q
В процессе реализации операций предлагаемого способа адаптации задействованы цифровой процессор 9 и блок памяти 10. В блоке памяти 10 осуществляется последовательное хранение совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, соответствующих определенному временному интервалу анализа дистанционной защиты и определителя места повреждения. Как правило, временной интервал выбирается равным периоду промышленной частоты (f= 50 Гц) и соответствует Т= 20 мс. В течении этого интервала осуществляется выборка мгновенных значений тока и напряжения, количество которых N определяется отношением интервала Т к интервалу дискретизации t (N=Т/t). Операция выборки повторяется периодически с периодом t, который определяет дискретность выдачи управляющих сигналов У … У.
Взаимодействуя с блоком памяти 10, цифровой процессор 9 выполняет операции, требуемые для реализации способа адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения:
а
1. Фильтрацию мгновенных значений токов и напряжений, полученных в интервале Т, для формирования результирующих комплексных значений фазных, а также симметричных составляющих токов (напряжений), других величин, характеризующих показатели качества электроэнергии. Для операций цифровой обработки сигналов может быть выбран алгоритм дискретного преобразования Фурье или другие алгоритмы. Как указывалось ранее для получения оценок параметров качества электрической энергии могут привлекаться специальные устройства контроля качества электроэнергии.
2. Получение значений активных и реактивных сопротивлений на основе комплексных значений фазных токов и напряжений, а также их симметричных составляющих. Осуществление многофазных измерений (реализация многофазных дистанционных органов релейной защиты) может выполняться по различным методам, например, [Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: учеб. Пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат. 1984. стр. 419-425.] с последующим взятием реальной (активная) и мнимой (реактивная) составляющих комплексного сопротивления.
3. Определение расстояний от места установки защиты до места короткого замыкания на основе текущих замеров активных и реактивных сопротивлений, а также реализации одного (или нескольких) способов определения места повреждения [например, Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи/ Под. ред. В.А. Шуина. - М.: Энергоатомиздат. 2003. 272 с.]. Оценки расстояний для дистанционной защиты могут быть получены путем соотношения (деления) замеренных активных и реактивных сопротивлений на удельные активные и реактивные сопротивления, характеризующие конкретную ЛЭП и ее участки.
e
омп
4. Адаптацию дистанционной защиты и определителя места повреждения ЛЭП путем корректировки полученных расстояний на величину ошибки  (из-за нарушений качества электроэнергии) и ΔL (выражение (1)), заблаговременно сформированных по результатам имитационного моделирования и хранящихся в блоке памяти 10. Корректировка результатов ОМП осуществляется для повышения точности оценки расстояния до повреждения.
1
q
5. Сравнение результирующих расстояний, соответствующих многофазным измерениям (дистанционным органам защиты), с уставлками зон дистанционной защиты. Временные параметры зонного сравнения с уставками обеспечиваются программным способом. Принципы выбора уставок, исходя из расчета расстояния, а также временные параметры обоснованы, например, в [Фабрикант В.Л. Дистанционная защита: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Высш. Школа. 1978. стр. 19 - 25]. Результаты сравнения, осуществляемого цифровым процессором 9, преобразуются в выходные сигналы У … У устройства цифровой релейной защиты, которые должны в том числе обеспечить отключение поврежденного элемента электрической сети.
1
k
1
q
Таким образом, на основе текущей информации о входных токах и напряжениях, оценок показателей качества, реализуемых в устройствах контроля показателей качества электроэнергии, входных сигналах X … X вычислительное устройство 6 вырабатывает необходимые решения в соответствии с предлагаемым способом адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели, характеризуемые выходными сигналами У … У, а также более точным расчетом расстояния до повреждения.
Следует отметить, что предлагаемый способ адаптации дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели  обеспечивает повышение точности определения места повреждения за счет компенсации ошибок расчета расстояния до повреждения из-за нарушений качества электроэнергии.