СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО УЧАСТКА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
SYSTEM FOR REMOTE DETECTION OF DAMAGED SECTION OF POWER LINE OF BRANCHED ELECTRIC NETWORK

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано для определения участка межфазного повреждения в трехфазных распределительных сетях среднего класса напряжений с изолированной, компенсированной или заземленной через резистор нейтралью разветвленной топологии.
Одной из распространенных аварийных ситуаций в линиях электропередачи напряжением 6-10 кВ является межфазное замыкание проводов линии электропередач. При этом электрические сети напряжением 6-10 кВ, образованные линиями электропередач, обладают сложной топологией с большим количеством отпаек и ветвлений и работают в основном в режиме изолированной нейтрали, при котором межфазное замыкание проводов линии электропередач приводят к срабатыванию релейной защиты сети и, соответственно, снятию напряжения с линии.
Защита от межфазного замыкания проводов линии электропередач действует на отключение. При этом определение поврежденного участка линии электропередач не проводится или проводится приблизительно с помощью дополнительно устанавливаемых аварийных индикаторов. Предложенное решение определения поврежденного участка позволяет дистанционно определить поврежденную отпайку в разветвленных линиях электропередач с помощью сравнения аварийных осциллограмм, полученных с приборов учета электроэнергии без дополнительных аварийных индикаторов, которые необходимо установить в стволе или на отпайках электрической сети, образованной линиями электропередач 6-10 кВ.
Все вышеперечисленные факторы негативно влияют на время поиска и устранения неисправностей как на воздушных, так и на кабельных линях электропередачи, а также требуют значительных технических ресурсов и персонала для мониторинга линий.
Несмотря на наличие достаточно большого количества существующих способов и устройств защиты и аварийных индикаторов, предназначенных для сигнализации и/или отключения сети при возникновении межфазного повреждения линий электропередач напряжением 6-10 кВ, в настоящее время отсутствует их широкое практическое внедрение из-за малой степени их универсальности.
Таким образом, актуальной является проблема внедрения системы автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи, которая обеспечит выполнение следующих задач:
- обнаружение аварийных процессов на воздушных и кабельных линиях электропередачи 6-10 кВ;
- обеспечение полной наблюдаемости сети при использовании минимального количества оборудования;
- работа в любых типах электросетей, как воздушных, так и кабельных: в радиальных сетях, а также в разомкнутых, замкнутых кольцевых сетях, кольцевых сетях с питанием с двух сторон, с автоматическим или ручным восстановлением энергоснабжения;
- упрощенное масштабирование и перенастройка системы при изменении конфигурации сетей;
- принцип управления из единого центра с минимальными потребностями по инспектированию контролируемой линии персоналом.
Известно устройство для определения места повреждения линии электропередачи (патент РФ №2724352, МПК G01R 31/08, опубл. 23.06.2020), состоящее из двух полукомплектов, каждый из которых подключен к соответствующему концу линии электропередачи и содержит блок измерителя напряжений и токов линии электропередачи, вход которого подключен к концу линии электропередачи, блок сравнения, пороговый элемент, блок приема сигнала глобального точного времени от спутниковой системы, первый канал связи, выход блока измерителя напряжений и токов линии электропередачи соединен с первым входом блока сравнения, второй вход блока сравнения соединен с выходом порогового элемента, отличающееся тем, что введены блок записи ВЧ сигнала, блок определения метки времени прихода электромагнитной волны и вычислитель места повреждения, первый вход блока записи ВЧ сигнала соединен с выходом измерителя напряжений и токов, второй вход блока записи ВЧ сигнала соединен с выходом блока сравнения, третий вход блока записи ВЧ сигнала связан с выходом блока приема сигнала глобального точного времени спутниковой системы, вход блока определения метки времени прихода электромагнитной волны соединен с выходом блока записи ВЧ сигнала, блок определения метки времени прихода электромагнитной волны через порт связи соединен с вычислителем и через первый канал связи связан с аналогичным портом блока определения метки времени прихода электромагнитной волны второго полукомплекта.
Недостатком рассматриваемого устройства является то, что оно не является универсальным, так как отсутствуют возможности каскадирования для использования в сетях сложной топологии, также отсутствует возможность локализации аварийного участка сети, что сильно ограничивает область его применения.
Наиболее близкой по технической сущности является система автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи (RU 2775199, опубл.: 28.06.2022 Бюл. № 19), которая содержит по меньшей мере один блок сбора и передачи информации, который посредством модуля ближней радиосвязи связан с тремя идентичными внешними датчиками аварийного процесса на линии. Каждый датчик размещен непосредственно на фазном проводе линии электропередачи и содержит размещенные в корпусе датчик тока, датчик напряжения, батарейный блок питания и микропроцессорный управляющий блок, сравнивающий получаемые значения тока и напряжения со значениями уставок тока короткого замыкания, включающий модуль ближней радиосвязи и индикаторный модуль.
Недостатком предлагаемого устройства является необходимость установки большого количества индикаторов короткого замыкания, а также невозможность обеспечить наблюдаемость всех участков сети.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является повышение точности определения местоположения аварийных процессов на линиях электросетей без установки дополнительных датчиков тока, обеспечение полной наблюдаемости всех участков электрической сети, возможность локализации аварийного участка в автоматическом режиме.
Технический результат достигается тем, что система дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети содержит блок сбора и передачи информации, связанный с датчиками аварийного процесса на трансформаторной подстанции, каждый из которых включает датчик тока, датчик напряжения, батарейный блок питания и микропроцессорный управляющий блок, сравнивающий получаемые значения тока и напряжения со значениями уставок тока и напряжения короткого замыкания, включающий модуль радиосвязи, в качестве датчиков аварийного процесса на трансформаторной подстанции используются приборы учета электроэнергии, которые соединены с блоком анализа осциллограмм, представляющим собой сервер верхнего уровня, который состоит из логического блока сбора и хранения осциллограмм, логического блока выделения аварийных и доаварийных составляющих, логического блока расчета и выдачи результата, который соединен с системой диспетчерского управления, при этом каждый прибор учета размещен непосредственно на фазных проводах в вводном распределительном устройстве низкого напряжения трансформаторной подстанции, а модуль радиосвязи осуществляет передачу аварийных осциллограмм в систему дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети.
Система дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети позволяет определять следующие типы аварийных ситуаций - короткое замыкание (КЗ), межфазное короткое замыкание (МФЗ), включая определение аварийной фазы.
Изобретение поясняется иллюстрациями, на которых изображено:
- на фиг. 1 показан принцип сравнения осциллограмм действующих значений тока и напряжения на трансформаторных подстанциях для определения поврежденного участка сети,
- на фиг. 2 показана структурная схема предлагаемой системы дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети,
где
1 -подстанция,
2, 3, 4 - трансформаторная подстанция
5, 6, 7 - датчики аварийного процесса
8, 9 - линии передач
10 - аварийная отпайка
11 - блок сбора и передачи информации
12 - блок анализа осциллограмм
13 - логический блок сбора и хранения осциллограмм
14 - логический блок выделения аварийных и доаварийных составляющих
15 - логический блок расчета и выдачи результата
16 - система диспетчерского управления
Система дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети включает датчики аварийного процесса 5, 6, 7 на трансформаторной подстанции, блок сбора и передачи информации 11, блок анализа осциллограмм 12 и систему диспетчерского управления 16.
В предлагаемом изобретении роль датчиков аварийного процесса 5, 6, 7 на трансформаторной подстанции 2, 3, 4 может выполнять прибор учета электроэнергии или любой измерительный преобразователь тока и напряжения с возможностью записи и передачи в систему дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети посредством любого канала связи действующего значения тока и напряжения до и после возникновения аварии. Таким образом, каждый датчик аварийного процесса включает датчик тока, датчик напряжения, батарейный блок питания и микропроцессорный управляющий блок, сравнивающий получаемые значения тока и напряжения со значениями уставок тока и напряжения короткого замыкания и включает модуль радиосвязи. Датчики 5, 6, 7 посредством беспроводного канала связи соединены с блоком сбора и передачи информации 11, который посредством сетевого интерфейса соединен с блоком анализа осциллограмм 12.
Датчики аварийного процесса, роль которых выполняют приборы учета или измерительные преобразователи, монтируются на фазных проводах в вводном распределительном устройстве низкого напряжения трансформаторной подстанции для выявления в режиме онлайн аварийных ситуаций на всех участках распределительной электрической сети. Датчики аварийного процесса предназначены для регистрации действующего значения тока и напряжения до и после возникновения аварии. Дальнейшее определение поврежденного участка линии электропередач с любым типом нейтрали (изолированная, компенсированная, резистивная, глухозаземленная) с односторонней запиткой или кольцевых линиях с двухсторонней запиткой осуществляется с помощью блока анализа осциллограмм 12 системы дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети.
Модули радиосвязи, встроенные в датчики аварийного процесса или отдельные устройства сбора и передачи информации, монтируемые в трансформаторной подстанции, осуществляют передачу зарегистрированных осциллограмм от датчиков аварийного процесса на блок сбора и передачи информации 11, который посредством сетевого интерфейса передает осциллограммы на блок анализа осциллограмм 12, представляющий собой сервер верхнего уровня.
Блок анализа осциллограмм 12 осуществляет сбор параметров с подключенных устройств, анализ аварийных ситуаций и выдает результаты расчета локализации аварийных участков сети в систему диспетчерского управления и состоит из логического блока сбора и хранения осциллограмм 13, логического блока выделения аварийных и доаварийных составляющих 14, логического блока расчета и выдачи результата 15.
Логический блок сбора и хранения осциллограмм 13 осуществляет сбор осциллограмм по протоколу прикладного уровня передачи файлов SSH File Transfer Protocol (SFTP). При коротком замыкании на сервер автоматически при исправном канале связи между полевым и верхним уровнем скачиваются файлы COMTRADE - .dat и .cfg. Логический блок сбора и хранения осциллограмм 13 в режиме реального времени производит мониторинг целевой директории хранения осциллограмм и при появлении новых файлов записывает их содержимое в базу данных в виде массива данных, в котором указывается: уникальное название регистратора (прибора учета или измерительного преобразователя), уникальный номер регистратора, номер и идентификатор канала, идентификатор фазы канала, единица измерения в канале, выборка времени в микросекундах от начала осциллограммы, выборки аналоговых каналов.
Логический блок выделения аварийных и доаварийных составляющих 14 осуществляет расчет величины первого действующего доаварийного фазного значения и первого действующего аварийного фазного значения параметра режима каждого канала.
Логический блок расчета и выдачи результата 15 определяет поврежденный участок путем сравнения относительных коэффициентов изменения параметров режима. На основе сравнения рассчитанных коэффициентов изменения параметров режима производится идентификация поврежденного участка. Минимальное значение рассчитанных коэффициентов изменения параметров режима соответствует поврежденному участку. Далее логический блок расчета и выдачи результата осуществляет передачу результатов анализа осциллограмм в систему диспетчерского управления в виде файла Extensible Markup Language (XML) для дальнейшей интерпретации результатов непосредственно диспетчерскому персоналу.
Аварийный участок распределительной сети определяется путем сравнения записанных осциллограмм действующих значений тока и напряжения датчиков аварийного процесса, установленных на каждой трансформаторной подстанции 10(6)/0,4 кВ на стороне низкого напряжения вводной ячейки распределительного устройства. Трансформаторная подстанция, на которой датчиками аварийного процесса зарегистрировано самое низкое отношение доаварийного и послеаварийного напряжения, а также самое низкое отношение доаварийного и послеаварийного тока, будет иметь самую высокую электрическую проводимость с местом аварии, а, следовательно, и будет ближе всего к месту аварии по трассе линии электропередач.
Наблюдаемость участков сети выполняется непрерывно и обеспечивается контроль в нормальных и аварийных режимах работы сети.
Предлагаемая система дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети работает следующим образом.
Датчики аварийного процесса 5, 6, 7 (фиг.2) на вводной ячейке распределительного устройства низкого напряжения трансформаторной подстанции 2, 3, 4 соответственно, роль которых выполняет прибор учета электроэнергии или любой измерительный преобразователь тока и напряжения с возможностью записи и передачи действующего значения тока и напряжения до и после возникновения аварии, срабатывают при одновременном снижении тока и напряжения ниже заданной уставки, что позволяет отстроиться от скачков нагрузки. Оцифрованные значения действующих значений параметров режима в виде осциллограммы передаются в систему дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети в блок сбора и передачи информации. Блок сбора и передачи информации 11 передает все полученные от датчиков аварийного процесса осциллограммы в блок анализа осциллограмм 12, представляющий собой сервер верхнего уровня, который состоит из логического блока сбора и хранения осциллограмм 13, логического блока выделения аварийных и доаварийных составляющих 14, логического блока расчета и выдачи результата 15, который соединен с системой диспетчерского управления 16. Блок анализа осциллограмм сравнивает все полученные осциллограммы и выдает результат в виде списка трансформаторных подстанций с наименованием, отсортированных в порядке убывания расстояния от них до места аварии.
Изобретение поясняется таблицей 1, в которой приведены расчетные значения параметров режима, а также отношение доаварийных и аварийных фазных составляющих значений параметров режима.
При коротком замыкании на отпайке 10 между фазой «А» и фазой «С» воздушной линии электропередач производились измерения действующих значений фазных составляющих тока и напряжения с помощью датчиков аварийного процесса, роль которых выполняли приборы учета электроэнергии, смонтированные на фазных проводах в вводном распределительном устройстве низкого напряжения трансформаторных подстанций:
ТП-1 (2) - ПУ-1 (5) UA1, [В], IA1, [А];
ТП-2 (3) - ПУ-2 (6) UA2, [В], IA2, [А];
ТП-3 (4) - ПУ-3 (7) UA3, [В], IA3, [А].
Определение поврежденного участка (отпайка 10) производилось сравнением относительных коэффициентов изменения параметров режима по следующим выражениям:
- относительное изменение напряжения, [о.е.],
- аварийное напряжение фазы А, [В],
- доаварийное напряжение фазы А, [В].
- относительное изменение напряжения, [о.е.],
- аварийный ток фазы А, [A],
- доаварийный ток фазы А, [А].
На основе сравнения рассчитанных коэффициентов изменения параметров режима производится идентификация поврежденного участка. Минимальное значение рассчитанных коэффициентов изменения параметров режима соответствует поврежденному участку согласно следующим неравенствам:
При сравнении коэффициентов изменения параметров режима на каждом участке (на тупиковой трансформаторной подстанции каждой отпайки) распределительной сети при коротком замыкании между фазами, необходимо найти самую низкую величину, которая будет соответствовать поврежденному участку.
Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения удалось получить систему дистанционного определения поврежденного участка линии электропередач разветвленной электрической сети, обладающую повышенной точностью при определении участка аварийных процессов на линиях электросетей, а также большей универсальностью применения по сравнению с прототипом.