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

Изобретение относится к релейной защите и автоматике электрических систем и предназначено, в первую очередь, для локации повреждения (определения места замыкания) линий электропередачи - высоковольтных, с глухозаземленной нейтралью, а также и для решения особой задачи - определения места замыкания фидера на землю. Фидер - линия электропередачи среднего напряжения в составе распределительной сети, которая, как известно, выполняется с изолированной или компенсированной нейтралью.
Известны способы определения места замыкания в линии электропередачи, опирающиеся на использование ее модели и ведущие свое начало от технических решений [1, 2]. Хотя они и предусматривают возможность варьирования информационной базы, но ориентированы преимущественно на одностороннее наблюдение линии, что было и все еще остается наиболее распространенным исполнением локаторов повреждений. Новые технические возможности обмена информацией между отдаленными подстанциями по оптоволоконной связи делают актуальным переход от локаторов одностороннего наблюдения к локаторам двухстороннего наблюдения [3]. Желательно при этом предельно упростить критерии повреждения. Известен способ двухстороннего наблюдения, преследующий такую цель [4]. В нем достигается ощутимое упрощение благодаря выделению в модели электропередачи участка, на котором допустимо не учитывать распределенную емкость. Однако кардинального упрощения локации при двухстороннем наблюдении по сравнению с односторонним добиться все же не удалось, так как в модель линии включается многофазная в общем случае модель повреждения. В результате и модель электропередачи должна быть выполнена тоже многофазной. Ее невозможно выполнить в базисе только прямой или нулевой последовательности. Кроме того, обсуждаемый способ не обладает инвариантностью относительно режима нейтрали наблюдаемой сети.
Поставленная цель упрощения и универсализации критерия повреждения достигается тем, что при двухстороннем наблюдении линии электропередачи локация повреждений выполняется при помощи простейших двухпроводных моделей прямой последовательности (в сетях с глухозаземленной нейтралью) или нулевой последовательности (в сетях с изолированной нейтралью). Как и в прототипе, фиксируются токи и напряжения обеих сторон линии. Первоначально фиксируются мгновенные значения. В распределительных сетях при распознавании замыкания на землю нужны именно они. Подобная ситуация возникает и в высоковольтных сетях, где установлены быстродействующие выключатели, из-за малого времени наблюдения процесса короткого замыкания. В противном случае оправдан переход от мгновенных значений к комплексам синусоидальных составляющих основной частоты. Токи и напряжения фиксируются как в текущем режиме короткого замыкания, так и в предшествующем режиме, что позволяет выделить аварийные составляющие электрических величин, тесно связанные с местом замыкания.
Существенная новизна предлагаемого способа видится в операциях, производимых с двухпроводными моделями электропередачи. Один за другим создаются два различных режима модели. Первый режим - пассивный. К модели неповрежденной линии с двух сторон подключаются источники, воспроизводящие наблюдаемые величины. Источники разного типа. С одной стороны подается ЭДС, т.е. источник наблюдаемого там напряжения, а с другой стороны подключается источник наблюдаемого оттуда тока. По введенной здесь нумерации - это первое напряжение и первый ток. Модель реагирует на них вторым током на первом входе и вторым напряжением на втором входе. Определяют третьи ток и напряжение как разности между первым и вторым токами и, соответственно, напряжениями.
Затем создается второй режим - активный, в котором первый вход двухпроводной модели шунтируют, а второй вход размыкают. В этом режиме в неизвестном месте модели действует неизвестный источник, а известны ток на зашунтированном входе и напряжение на разомкнутом - это третий ток и третье напряжение. Соотношение между этими величинами решает обширный спектр задач локации повреждений линий электропередачи. В сетях с глухозаземленной нейтралью используются двухпроводные модели прямой последовательности и безнулевые составляющие наблюдаемых напряжений и токов, а в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью для выявления места замыкания на землю - двухпроводные модели нулевой последовательности и соответствующие составляющие наблюдаемых напряжений и токов.
Дополнительные пункты формулы изобретения конкретизируют взаимосвязь третьего тока и третьего напряжения с координатой места повреждения линии. Рассмотрен ряд вариантов: определение места замыкания по мгновенным значениям третьих тока и напряжения в однородной короткой линии электропередачи, в неоднородной короткой линии (в коротких линиях допустимо пренебречь распределенной емкостью), в однородной линии произвольной длины, в произвольной системе и, наконец, по мгновенным значениям третьих электрических величин в однородной линии электропередачи произвольной длины. Для определения места замыкания на землю в распределительной сети предназначаются те варианты, которые оперируют мгновенными значениями электрических величин. В этих вариантах используются модели как прямой, так и нулевой последовательности. Варианты, в которых наблюдаемые величины преобразуются в комплексную форму, предназначаются для распознавания замыканий в высоковольтных сетях, а также междуфазных и трехфазных замыканий в распределительных сетях.
На фиг.1 представлена схема линии электропередачи, наблюдаемой с двух сторон, в режиме короткого замыкания произвольного вида. Фиг.2-5 иллюстрируют обработку величин, наблюдавшихся в двух определенных режимах, фильтрами аварийных составляющих. Фиг.6-9 демонстрируют операцию выделения безнулевых составляющих. На фиг.10 представлена двухпроводная модель короткой линии в режиме короткого замыкания. На фиг.11 эта модель показана в пассивном режиме, а на фиг.12 - в активном. На фиг.13-15 та же модель показана в тех же режимах, но не для мгновенных, а для комплексных электрических величин. На фиг.16 модель короткой, но неоднородной линии показана только в одном активном режиме. На фиг.17-19 в том же активном режиме показаны соответственно: модель произвольной электропередачи, модель однородной линии с распределенными параметрами для комплексов и для мгновенных значений электрических величин.
sv
sv
rv
rv
sv,пд
sv,пд
rv,пд
rv,пд
кз
кз
sv,кз
sv,кз
rv,кз
rv,кз
кз
Рассматриваемая электропередача состоит из собственно линии 1 и концевых подстанций 2, 3, связанных со своими энергосистемами, о чем свидетельствуют источники 4, 5. На подстанциях ведется наблюдение и фиксируются токи и напряжения i, u, i, u, где v=A, B, C - обозначение произвольной фазы. В предшествующем режиме фиксируются величины i(t), u(t), i(t), u(t), t<t, где t - момент смены предшествующего режима новым режимом короткого замыкания, в котором фиксируются величины i(t), u(t), i(t), u(t), t≥t. Фильтры аварийных составляющих 6-9 реализуют в общем случае операцию [5]
кз
пд
ав
где υ - общее обозначение электрической величины,  - экстраполяция предшествующего режима на время после короткого замыкания. Если наблюдается режим с большим током короткого замыкания, то наблюдаемые величины υ(t) удается преобразовать в комплексы . Соответственно, и в предшествующем режиме величины υ(t) преобразуются в комплексы . Тогда вместо мгновенных значений аварийных составляющих υ(t) определяются их комплексы
Экстраполяция в таком случае может потребоваться лишь в той ситуации, когда в предшествующем режиме работы электропередачи наблюдались качания или асинхронный ход [6].
В предлагаемом способе предусмотрено разделение наблюдаемых величин на составляющую нулевой последовательности
и безнулевые составляющие
Последнюю операцию выполняют вычитающие блоки 10-13.
Фиг.10-12 иллюстрируют распознавание места повреждения в короткой линии электропередачи, двухпроводная модель которой построена без учета распределенной емкости. Удельные сопротивление и индуктивность линии  и  указаны конкретно для прямой последовательности, так как для модели нулевой последовательности этот вариант не рекомендуется. Отличие фиг.13-15 от фиг.10-12 заключается только в том, что в первых действуют комплексы токов и напряжений, а не мгновенные значения, и удельные параметры объединены в комплексное сопротивление . На фиг.16 неоднородная короткая линия 14 обозначена прямоугольником. Сопротивление линии относительно ее начала является функцией расстояния x и определяется в неповрежденной линии. Электропередача как часть произвольной системы обозначена блоком 15, который наблюдается на входном и выходном зажимах s и r, а в неизвестном месте f действует источник аварийного тока . На фиг.18, 19 приведена двухпроводная модель электропередачи, в которой учтена распределенная емкость. Схемы фиг.15-19 воспроизводят активный режим модели. Пассивный режим ввиду его простоты иллюстрируется только двумя схемами по фиг.11 и 14.
sv
sv
rv
rv
sv,ав
sv,ав
rv,ав
rv,ав
sv
sv
rv
rv
s0
s0
r0
r0
Излагаемый способ представляет собой последовательность следующих операций. Токи и напряжения i, u, i, u, наблюдаемые на разных сторонах линии 1 в предшествующем и текущем режимах, фиксируются. По каналу связи происходит обмен информацией между подстанциями 2 и 3. Фильтры аварийных составляющих 6-9, реализующие операцию (1а) или (1б), выделяют наиболее важные в информационном отношении величины i(t), u(t), i(t), u(t). Вычитающие блоки 10-13 выделяют из этих величин безнулевые составляющие i', u', i', u'. Составляющие нулевой последовательности i, u, i, u наблюдаются автономно или выделяются из фазных величин операцией (2).
s1
s1
r1
r1
f
s1
r1
s2
r2
f
Рассмотрим действие предлагаемого способа на примере короткой линии с двухпроводной моделью прямой последовательности по фиг.10. Модель насчитывает четыре известные граничные величины i, u, i, u, где индексом 1 отмечены первые в введенной нумерации электрические величины, и неизвестный источник тока i. Согласно данному способу модель прежде всего переводится в пассивный режим (фиг.11) путем исключения из нее тока повреждения и включения на разных сторонах линий разных источников: на левой стороне - источника напряжения (ЭДС) u, а на правой - источника тока i. Реакциями на воздействие этих источников явятся ток i и напряжение u. Тем самым определится вклад неизвестного тока i в ток левой стороны линии и напряжение правой стороны (фиг.12)
s3
s1
s2
i=i-i.
Структура данной модели в активном режиме по фиг.12 отличается особой простотой, так как в ней сразу же определяется ситуация в месте короткого замыкания
f
s3
f
r3
i=i, u=u,
а связь между этими величинами определяет координату места короткого замыкания
Комплексная форма той же модели (фиг.13-15) дает более простое выражение
где .
В неоднородной короткой линии электропередачи 14 задается сопротивление в неповрежденном состоянии  относительно начала линии. На фиг.16 линия показана в активном режиме с уже определенными комплексами тока и напряжения  и . Взаимосвязь между ними сохраняет форму выражения (3)
f
Активный режим двухпроводной модели произвольного объекта, токи и напряжения которого заданы в комплексной форме (фиг.17), инвариантен относительно структуры объекта, так как в модели действует единственный неизвестный источник , создающий в неизвестном месте x неизвестное напряжение . Между напряжением  единственного источника линейной модели  и известными величинами ,  существует прямая пропорциональность
Взаимная проводимость  и передаточная функция  являются характеристиками модели, определяемыми заранее. Место замыкания определяется из соотношения
Активный режим однородной модели с распределенными параметрами (фиг.18) характеризуется конкретными функциями в соотношениях (4), (5)
где  и  - характеристическое сопротивление и коэффициент распространения двухпроводной модели прямой последовательности, ,  - первичные параметры, , и  - безнулевые величины прямой последовательности на зашунтированном и, соответственно, разомкнутом выходах модели.
f
s3
Однородная модель с распределенными параметрами, предназначенная для преобразования мгновенных значений тока и напряжения (фиг.19), может быть применена для локации как в высоковольтных, так и в распределительных сетях. Напряжение u выражается через ток i посредством разностного уравнения [7]
где
s
в
f
s
в
f
0
0
a=R+Rx/2, b=R-Rx/2,
f
s
s1
s0
- волновое сопротивление прямой или нулевой последовательности,  - время пробега волны прямой или нулевой последовательности вдоль отрезка модели протяженностью x. Информация о замыкании поступает в начало линии в момент t, причем для моделей прямой и нулевой последовательностей это разные времена: t<t.
s3
f
Через напряжение u на второй стороне линии то же напряжение u выражается иным соотношением
r
в
f
2
r
в
f
f
0
0
0
0
0
где a=R+R(l-x)/, b=R-R(l-x)/2,  - время пробега волны вдоль второго отрезка модели протяженностью l-x. Удельные параметры R, L, C в выражениях (6), (7) могут быть как прямой, так и нулевой последовательности в зависимости от типа двухпроводной модели.
r
s
r1
r0
r1
s
r
f
В конец линии информация о замыкании поступает в момент t, отличный от t. О безнулевых составляющих - в момент t, а о нулевой последовательности - в момент t>t. Соотношение (6) левой части линии рассматривается в дискретные моменты времени t+kΔt, а соотношение (7) - в моменты t+kΔt, где Δt - интервал дискретизации наблюдаемых величин, k - номер интервала. Координата места замыкания x определяется условием наименьшей невязки преобразования (6) и (7)
кон
где k - номер последнего интервала.
Как видим, при двухстороннем наблюдении линии электропередачи в ее двухпроводной модели прямой или нулевой последовательности существует возможность создать активный режим с разным состоянием входов, в котором место повреждения определяется особенно просто. Универсальность способа заключается в том, что он применим как для сетей с глухозаземленной нейтралью, так и для определения места замыкания в распределительной сети.
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, Н02Н 7/26, H01H 83/22, 1992.
7. Караев Р.И., Лямец Ю.Я. О применении разностных уравнений длинной линии. - Электричество, 1972, №11, С.28-36.