Способ определения места повреждения разветвленной линии электропередачи с несколькими источниками питания
METHOD FOR DETERMINING FAULT LOCATION OF BRANCHED POWER TRANSMISSION LINE WITH SEVERAL POWER SUPPLY SOURCES

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для определения мест повреждения (ОМП) в сетях электропередачи. Способ предназначен для ОМП линий электропередачи с многосторонним питанием по результатам измерения ее напряжений и токов по концам линии.
Известен 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, опубл. 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. Согласно предложения 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.
Известный способ хотя и использует уточнение (корректировку) результатов ОМП с учетом имитационного моделирования повреждений на ЛЭП, но не предназначен для линий с многосторонним питанием.
Известен способ ОМП [Патент РФ № 2368912 Способ определения мест повреждения линий электропередач распределительных сетей, МПК G01R 31/11, опубл. 27.09.2009, Бюл. № 27], по которому в исследуемую линию генерируют зондирующие импульсы, принимают отраженные сигналы и место повреждения точно и однозначно определяют по отсутствию отраженного импульса с информационным признаком, индивидуализирующим, по меньшей мере, конкретное ответвление, в котором, согласно предложению, в качестве зондирующих импульсов используют дискретно-кодированные сигналы, а в качестве информационного признака, индивидуализирующего конкретное ответвление или фазу ответвления, используют согласованную фильтрацию дискретно-кодированного сигнала на концах линии.
Недостатком способа является необходимость установки дополнительного оборудования (фильтров) по концам разветвленной линии, что приводит к удорожанию устройства ОМП, а также требует специальных эксплуатационных расходов для обслуживания дополнительного оборудования.
Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ определения места повреждения линии электропередачи [Патент РФ № 2464582 Способ определения места повреждения разветвленной линии электропередачи с несколькими источниками питания, МПК G01R 31/08, опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19] путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного и доаварийного режимов, выделения аварийных составляющих измеренных напряжений и токов, преобразования измеренных величин и их аварийных составляющих с использованием образованных напряженческих и токовых моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения. Согласно способа токи и напряжения, наблюдаемые в конце ветвей схемы линии с многосторонним питанием, используя модели ветвей линии, пересчитываются к их предполагаемым значениям в узле схемы, по результатам расчетов выбирается поврежденная ветвь, и относительно нее остальная часть схемы эквивалентируется, далее место повреждения определяется по модели получившейся линии.
Недостатком способа является низкая точность ОМП линии электропередачи, поскольку не в полной мере используется информация, в том числе о токах и напряжениях, фиксируемых при автоматических и неавтоматических повторных включениях линии, а также о паспортных параметрах ее участков.
Задачей изобретения является повышение точности ОМП на линии электропередачи с многосторонним питанием за счет уточнения удельных параметров поврежденной ветви с привлечением необходимой информации, касающейся паспортных параметров участков линии электропередачи, а также токов и напряжений, зафиксированных при автоматических и неавтоматических повторных включениях.
Поставленная задача достигается способом определения места повреждения линии электропередачи путем фиксации момента повреждения, измерения напряжений и токов основной гармоники аварийного и доаварийного режимов, выделения аварийных составляющих измеренных напряжений и токов, преобразования измеренных величин и их аварийных составляющих с использованием моделей линии в напряжения и токи мест предполагаемого повреждения, токи и напряжения, наблюдаемые в конце ветвей схемы линии с многосторонним питанием, используя модели ветвей линии, пересчитываются к их предполагаемым значениям в узле схемы, по результатам расчетов выбирается поврежденная ветвь, и относительно нее остальная часть схемы эквивалентируется, далее место повреждения определяется по модели получившейся линии. Согласно способа реализуют эквивалентирование схемы линии электропередачи, относительно ее поврежденной ветви, различными вариантами, фиксируют токи и напряжения, а также выделяют их аварийные составляющие не только для момента повреждения, но и для моментов последующих неуспешных автоматических и неавтоматических повторных включений, определяют расстояния до места повреждения по модели получившейся линии для каждого варианта эквивалентирования и повторного включения, уточняют удельные параметры поврежденной ветви с учетом паспортных данных линии электропередачи и совокупности полученных расстояний до места повреждения, определяют место повреждения по модели получившейся линии и уточненным удельным параметрам поврежденной ветви.
На фиг. 1 в качестве примера представлена линия электропередачи, подключенная к трем источникам, на которой повреждение произошло в точке N, а точка Р указывает место соединения трех ее ветвей. Фиг. 1 иллюстрирует применение метода наложения и характеризует расчетные схемы: а – нормального режима; б – режима короткого замыкания; в – чисто аварийного режима.
E
E
E
Z
Z
Z
z
Z
Z
U
I
U
I
U
I
U
I
U
I
U
I
U
I
U
I
U
I
I
I
s1
s2
s1
s1
s2
s3
уд1
2
3
н1
н1
н2
н2
н3
н3
1
1
2
2
3
3
ав1
ав1
ав2
ав2
ав3
ав3
п
п
пн
1
2
3
l
На фиг. 1 введены следующие обозначения: , ,  и , ,  – соответственно ЭДС и собственные сопротивления ЭДС источников по концам ветвей ЛЭП;  – удельное сопротивление поврежденной ветви ЛЭП;  и  – сопротивления неповрежденных ветвей ЛЭП; , , , ,, ,, , , ,, ,, , , ,,  – напряжения и токи в ветвях ЛЭП соответственно для нормального режима, режима короткого замыкания и чисто аварийного режима;  – расстояние до места повреждения; R – сопротивление повреждения;  и  – ток через сопротивление повреждение в режиме короткого замыкания и нормальном режиме; L, L, L – длины ветвей ЛЭП.
Способ определения места повреждения разветвленной линии электропередачи с несколькими источниками питания реализуется следующим образом.
Совокупность элементов электрической сети в общем случае можно представить в виде графа [например, Папков, Б.В. Теория систем и системный анализ для электроэнергетиков: учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры / Б.В. Папков, А.Л. Куликов. —2е изд., испр. и доп. — М.:Юрайт, 2016. — 470 с. — Серия: бакалавр и магистр. Академический курс.]. При таком представлении реализация ОМП ЛЭП сводится к оценке пути на графе от начального места расчета до места предполагаемого повреждения. Для разветвленной ЛЭП с несколькими источниками питания характерны следующие особенности, влияющие на точность ОМП:
- имеется несколько источников питания, имеющих разные фазовые углы и амплитуды;
- вероятны КЗ с ненулевым переходным сопротивлением в месте повреждения;
- удельные сопротивления ЛЭП неодинаковы и подвержены изменениям.
В таких условиях целесообразно применение метода наложения [например, Федосеев, А.М. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов / А.М. Федосеев, М.А. Федосеев — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 528с.: ил.], позволяющего упростить расчеты и учет отдельных влияющих факторов на точность ОМП ЛЭП. Основная идея в применении метода наложения состоит в том, чтобы уравнять количество ветвей на ЛЭП до повреждения и после. Суть метода на примере однофазной электрической сети поясняет фиг.1:
U
U
U
доавп
доавп
доавп
• рассчитывается доаварийный режим. В место предполагаемого КЗ включается фиктивная ветвь с ЭДС, равной доаварийному напряжению  в заданной точке. Как известно, если между точками сети, имеющими разность потенциалов , включить источник ЭДС, равный  по величине и направлению, то токораспределение в сети не изменится (фиг. 1.a);
• рассчитывается послеаварийный режим. В ней ветвь КЗ представляет собой закоротку (фиг. 1.б);
• из уравнений по законам Кирхгофа для послеаварийной сети вычитаются почленно уравнения доаварийной сети. Это приводит к появлению так называемой чисто аварийной
схемы, изображенной на фиг. 1.в.
Чисто аварийная схема содержит только одну ЭДС, расположенную в месте КЗ. Величина ее равна доаварийному напряжению в этой точке, взятому со знаком «минус». Такой подход справедлив, если принять [например, Ульянов, С.А. Электромагнитные переходные процессы / С.А. Ульянов. — М.: Энергия, 1970], что ЭДС генераторов до и после КЗ одинаковы.
Влияние переходного сопротивления на расчет расстояния до места повреждения ЛЭП можно охарактеризовать следующими положениями:
U
авN
• переходное сопротивление уменьшает модуль чисто аварийного напряжения  в месте повреждения (принцип делителя напряжения);
U
авN
• пропорционально уменьшению напряжения  снижаются токи и напряжения в ветвях ЛЭП.
Таким образом, при определении расстояния до места повреждения разветвленной ЛЭП целесообразно использовать чисто аварийную схему. Она имеет всего один источник ЭДС, и содержит в неискаженном виде всю необходимую информацию для реализации ОМП. В сочетании с измерением напряжений и токов основной гармоники, доаварийного режима, режима КЗ, выделением аварийные составляющие измеренных напряжений и токов со всех концов ЛЭП, процедурой определения поврежденной ветви ЛЭП, применение метода наложения обеспечит высокую точность ОМП.
l
Z
s1
В частности, с применением чисто аварийной схемы (фиг.1.в) расчет расстояния  от шин (с сопротивлением ) до места повреждения может быть выполнен, например, с применением следующих выражений:
l
z
U
U
I
уд1
ав1
авN
ав1
× = ( – )/;
l
U
U
I
z
ав1
авN
ав1
уд1
= ( – )/(×).
U
авN
п
В приведенных формулах неизвестной величиной является только . Расчет этого напряжения (как и сопротивления повреждения R) может быть выполнен путем реализации операций способа-прототипа, при определении поврежденной ветви, эквивалентировании и реализации двухстороннего ОМП для эквивалентированной линии (поврежденной ветви) с эквивалентированными источниками.
U
I
U
I
2
2
3
3
l
l
Следует отметить, что эквивалентирование для разветвленной ЛЭП в режиме КЗ можно выполнить различными способами. Например, для схемы (фиг.1.б) формирование эквивалентного источника в точке Р можно реализовать при различном сочетании токов и напряжений (, , , ) при использовании разных ветвей ЛЭП. Отсюда и расстояние  до места повреждения при разных вариантах эквивалентирования может иметь различные значения. Дополнительно различные расстояния до места повреждения могут быть получены при автоматическом и неавтоматическом (ручном) повторном включении ЛЭП после повреждения, поскольку в ходе повторного включения регистрируются иные значения токов и напряжений. В результате имеем массив (вектор) значений  для каждого из вариантов реализации ОМП.
Еще раз подчеркнем, что на первом этапе реализации способа производится определение поврежденного участка (ветви) линии электропередачи. При этом выполняется последовательность операций, аналогичная способу-прототипу:
- измеряют напряжения и токи основных гармоник, аварийного и доаварийного режимов;
- выделяют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов со всех концов линии, имеющих источники питания;
- с помощью моделей линии, оценивают напряжения в местах состыковки отдельных участков (узлов);
- по небалансу оценок напряжений в узле определяют узлы, к которым подходят только неповрежденные участки;
- эквивалентируют эти узлы, исключая их из схемы, в результате определяют поврежденный участок сети;
- формируют модель ЛЭП относительно поврежденной ветви с эквивалентированными источниками.
l
l
i
i
В последующем реализуют множественное ОМП эквивалентированной ЛЭП при различных вариантах эквивалентирования и повторного включения и получают массив значений расстояний {} до места повреждения. Используя каждое из значений , реализуют уточнение удельных параметров поврежденной ветви ЛЭП с применением паспортных данных разветвленной линии. Для ЛЭП (фиг.1), например, расчетные выражения приобретают вид:
1
i
уд1
1
i
ав1
i
авN
i
ав1
i
l
z
Z
U
U
I
'
(L - )× = - ( – )/;
1
i
уд1
1
i
2
i
ав1
i
авN
i
ав1
i
2
уд2
l
z
Z
Z
U
U
I
z
'
(L - )× = ( + )- ( – )/ – L×;
1
i
уд1
1
i
3
i
ав1
i
авN
i
ав1
i
3
уд3
l
z
Z
Z
U
U
I
z
'
(L - )× = ( + )- ( – )/ – L×;
Z
Z
Z
z
z
z
1
i
2
i
3
i
уд1
уд2
уд3
'
где , , , – расчетные комплексные сопротивления ветвей ЛЭП, полученные на основе измерений токов и напряжений, а  – уточненные удельные параметры поврежденной ветви;  и  – удельные паспортные параметры неповрежденных ветвей ЛЭП.
i
Преобразуем приведенные выше выражения для всех  в матричную форму в виде
ǁ
l
ǁ
ǁ
Z
ǁ
z
'
уд1
× = .
Применение метода наименьших квадратов в условиях измерений токов и напряжений с ошибками, изменения параметров ЛЭП в процессе эксплуатации, неточных паспортных данных ветвей линии, обеспечивает получение уточненных удельных параметров поврежденной ветви ЛЭП
z
'
Т
-1
Т
уд1
ǁ
l
ǁ
×ǁ
l
ǁ
ǁ
l
ǁ
ǁ
Z
ǁ
= ()× ×.
В последующем для эквивалентированной схемы поврежденной ветви ЛЭП реализуется ОМП по одному из способов.
В заключении отметим, что за счет уточнения удельных параметров поврежденной ветви с привлечением необходимой информации, касающейся паспортных параметров участков линии электропередачи, а также токов и напряжений, зафиксированных при автоматических и неавтоматических повторных включениях, достигается цель изобретения - повышение точности ОМП на линии электропередачи с многосторонним питанием.