СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD OF REMOTE PROTECTION OF OVERHEAD POWER LINE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам защиты линий электропередачи (ЛЭП), основанным на дистанционном принципе.
Известны способы дистанционной защиты, учитывающие разброс измеренных активного и реактивного сопротивлений ЛЭП из-за неточностей измерений, вызванных мешающими факторами. Разброс параметров приводит к снижению устойчивости функционирования дистанционной защиты.
Под устойчивостью функционирования следует понимать способность дистанционной защиты выполнять свои основные функции в реальных условиях при воздействии ряда факторов, ухудшающих ее качественные показатели [Шнеерсон Э.М. Динамика сложных измерительных органов релейной защиты. - М.: Энергоатомиздат, 1981, стр.8]. Например, способ [патент US4906937, Method and device for fault location in the event of fault on power transmission line, G01R31/08, 06.03.1990] реализован с учетом принятия решения при изменениях активного сопротивления в заданном диапазоне (в условиях неизвестного сопротивления повреждения).
Недостатком этого способа является низкая устойчивость функционирования.
Известен способ дистанционной защиты линии электропередачи [патент РФ 2285992, Способ дистанционной защиты линии электропередачи. H02H 3/40, G01R 31/08, опубл. 20.10.2006, Б.И. №29]. Техническое решение по этому способу учитывает влияние следующих факторов, искажающих замеры расстояния до места повреждения ЛЭП:
- переходных активных сопротивлений (в месте повреждения) электрической дуги и элементов, через которые произошло короткое замыкание (земли, деревьев и др.);
- реактивные сопротивления взаимоиндукции между параллельными ЛЭП, через которые в поврежденной ЛЭП наводится напряжение при коротком замыкании от тока нулевой последовательности, протекающего на параллельной поврежденной линии.
Для этого в известном способе предлагаются одновременные измерения двух сопротивлений - активного и реактивного в момент пуска защиты при возникновении короткого замыкания.
Однако известный способ дистанционной защиты линии электропередачи обладает низкой устойчивостью функционирования из-за неполного использования информации о параметрах ЛЭП и режима ее работы.
Наиболее близким техническим решением, более полно учитывающим информацию и, следовательно, обладающим более высокой устойчивостью, является способ дистанционной защиты линии электропередачи [патент РФ 2447454, Способ дистанционной защиты лини электропередачи, G01R 31/08, H02H 3/40, опубл. 10.04.2012, Б.И. №10] при коротком замыкании, заключающийся в том, что измеряют активное и реактивное сопротивления до места короткого замыкания по аварийным значениям тока, напряжения и угла сдвига между ними в момент возникновения повреждения, используют полученные результаты при сравнении с уставками, учитывающие искажающие измерения факторы, а при плавном изменении параметров режима линии блокируют действие защит до возврата защиты при восстановлении нормального режима работы линии электропередачи, с уставками сравнивают расстояние между местом установки защиты и местом короткого замыкания, определяемое на основе взвешенного усреднения оценок расстояния, получаемых из измерений активного и реактивного сопротивлений, а изменение параметров режима линии фиксируют по изменениям значения и знака расстояния между местом установки защиты и местом каждого замыкания.
Исходя из принципов функционирования способа-прототипа, важно отметить два обстоятельства, определяющих устойчивость функционирования дистанционной защиты:
1. Информационная основа способа базируется лишь на замерах активного и реактивного сопротивлений (амплитуды и фазы комплексного сопротивления) и не включает возможные замеры дополнительных параметров, формируемых из аварийных значений токов, напряжений и угла между ними. В число таких параметров может входить, например, мощность, различные варианты симметричных составляющих, параметры потокораспределения мощностей различных последовательностей и др. [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].
2. С уставками сравнивают расстояние между местом установки защиты и местом короткого замыкания, определяемое на основе взвешенного усреднения оценок расстояния, получаемых из измерений активного и реактивного сопротивлений. Очевидно, что по аварийным значениям тока, напряжения и угла между ними можно выполнить дополнительные замеры вышеуказанных параметров, по которым реализовать один или несколько способов определения места повреждения ЛЭП. Результатами определения места повреждения ЛЭП являются также оценки искомого расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания. Учет этих оценок в процедуре взвешенного суммирования, несомненно, повысит точность расчета искомого расстояния. Повышение точности оценки расстояния до места повреждения путем расширения информационной базы дистанционной защиты обеспечивается дополнительным учетом параметров, таким образом, снижается неопределенность при функционировании защиты и повышается ее устойчивость.
Задача изобретения - повышение устойчивости функционирования дистанционной защиты.
Поставленная задача достигается способом дистанционной защиты линии электропередачи при коротком замыкании, заключающимся в том, что измеряют активное и реактивное сопротивления до места короткого замыкания по аварийным значениям тока, напряжения и угла сдвига между ними в момент возникновения повреждения, с уставками сравнивают расстояние между местом установки защиты и местом короткого замыкания, определяемое на основе взвешенного усреднения оценок расстояния, получаемых с учетом измерений активного и реактивного сопротивлений, при плавном изменении параметров режима работы линии блокируют действие защиты до возврата защиты при восстановлении нормального режима работы линии электропередачи, а изменение параметров режима линии фиксируют по изменениям значения и знака расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания, в котором согласно предложению, по аварийным значениям тока, напряжения и угла сдвига между ними дополнительно производят оценку расстояния до места короткого замыкания по одному или нескольким способам определения места повреждения линии электропередачи, а полученную оценку или оценки включают во взвешенное усреднение оценок расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания.
Как и способ-прототип, предлагаемый способ дистанционной защиты линии электропередачи может быть реализован на микропроцессорной технике.
В качестве реализующего устройства может быть выбрано устройство цифровой дистанционной защиты (фиг.1) [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита.- М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.42], включающее: 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.
Перед включением устройства производится имитационное моделирование ЛЭП с учетом искажающих факторов, сопровождающееся изменениями активного и реактивного сопротивлений, параметров источника, нагрузки, мест повреждений, сопротивления повреждения, передаваемой мощности и др., с последующей статистической обработкой результатов моделирования. Для каждого имитационного эксперимента с повреждением ЛЭП производится определение места повреждения с оценкой точности по каждому из выбранных способов. Итогом имитационного моделирования и статистической обработки является формирование распределений расстояния для активного и реактивного сопротивлений в зависимости от места повреждения (короткого замыкания), а также распределений расстояния для каждого из выбранных способов определения места повреждения. Дополнительно осуществляется определение коэффициентов для взвешенного суммирования, например, на основе дисперсий полученных распределений, необходимых для получения окончательной оценки расстояния (дистанции).
Возможно объединение оценок расстояния по каждому из способов определения места повреждения ЛЭП с формированием окончательной оценки расстояния на основе различных алгоритмов, например [Куликов А.Л., Обалин М.Д., Колобанов П.А. Комплексные алгоритмы определения мест повреждения линий электропередачи на базе статистических методов // Энергетик. - 2012. - №1. - С.7-10].
A
O
A
O
1
k
Входная информация цифрового устройства релейной защиты (фиг.1) определяется аналоговыми сигналами U-U, I-I, характеризующими режим электроэнергетической системы в точке А установки защиты, по переменному напряжению и току, и логическими - 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, участвующие в формировании результирующей оценки расстояния (дистанции), а также удельные значения активного и реактивного сопротивлений и уставки зон.
1
q
Сигналы y-y блока вывода 8 воздействуют на отключающие устройства защитного комплекса, другие устройства релейной защиты, регистратор данных, печатающую аппаратуру.
Аналоговые сигналы от трансформаторов тока ТА и напряжения TV преобразуются промежуточными трансформаторами тока 1, напряжения 2, фильтрами нижних частот 3 и подводятся к коммутатору сигналов 4, обеспечивающему поочередную выборку мгновенных значений величин с выходов отдельных фильтров и их запоминание на время, необходимое для правильной работы АЦП 5. 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 дистанционной защиты ЛЭП.
a
д
a
д
д
1
q
В процессе реализации операций предлагаемого способа дистанционной защиты 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. Как правило, временной интервал выбирается равным периоду промышленной частоты (f=50 Гц) и соответствует T=20 мс. В течение этого интервала осуществляется выборка мгновенных значений тока и напряжения, количество которых N определяется отношением интервала анализа к интервалу дискретизации t(N=T/t). Операция выборки повторяется периодически с периодом t, который определяет дискретность выдачи управляющих сигналов y-y.
Взаимодействуя с блоком памяти 10, цифровой процессор 9 выполняет операции, требуемые для реализации способа дистанционной защиты:
a
1. Фильтрацию мгновенных значений токов и напряжений, полученных в интервале T, для формирования результирующих комплексных значений фазных токов и напряжений. Для фильтрации может быть выбран алгоритм дискретного преобразования Фурье или другие алгоритмы.
2. Получение значений активных и реактивных сопротивлений на основе комплексных величин фазных токов и напряжений (реализация цифровых многофазных дистанционных органов релейной защиты).
3. Определение расстояний от места установки защиты до места короткого замыкания на основе текущих замеров активных и реактивных сопротивлений. Оценки расстояний могут быть получены путем соотношения (деления) измененных активных и реактивных сопротивлений на удельные активные и реактивные сопротивления, характеризующие конкретную ЛЭП и ее участки.
p1
4. Вычисление оценок расстояний, соответствующих многофазным дистанционным измерениям, путем возвещенного усреднения оценок расстояния по активным и реактивным сопротивлениям. Так, для каждой из фаз оценка расстояния ℓ может быть сформирована согласно выражению
R
x
где ℓ и ℓ - оценки расстояния по результатам измерений активного и реактивного сопротивлений;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>R</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>X</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
и
- дисперсии оценок расстояния по результатам измерений активного и реактивного сопротивлений.
5. Реализацию одного или нескольких способов определения места повреждения ЛЭП по комплексным или мгновенным значениям фазных токов и напряжений. Выбор одного или нескольких способов определения мест повреждения ЛЭП осуществляется исходя из:
- требований устойчивости функционирования дистанционной защиты. Чем больше используется способов, тем шире информационная база относительно фактов, влияющих на параметры ЛЭП и режимы ее работы, тем соответственно выше устойчивость функционирования;
- ограничений производительности процессора и объема памяти. Требуемое быстродействие процессора необходимо для обеспечения функционирования цифровой дистанционной защиты в реальном масштабе времени (в темпе протекания физических процессов).
Набор способов определения места повреждения ЛЭП может быть осуществлен, например, согласно [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].
Результатом реализации одного или нескольких способов определения места повреждения ЛЭП являются оценки расстояния с соответствующими весовыми коэффициентами, характеризующими точность определения расстояния до повреждения. Для получения коэффициентов, как указывалось выше, производится имитационное моделирование, а в качестве весовых коэффициентов могут использоваться дисперсии оценок расстояния по соответствующим способам. Альтернативным вариантом получения весовых коэффициентов является обработка реальных повреждений ЛЭП по выбранным способам определения мест повреждений. При этом весовые коэффициенты формируются на основе ошибок способов при определении повреждения ЛЭП по результатам последующих обходов линий.
Возможно получение комплексной оценки расстояния на основе комплексного способа определения места повреждения ЛЭП с учетом взвешенного суммирования отдельных оценок расстояния по отдельным способам [Куликов А.Л., Обалин Д.М., Колобанов П.А. Комплексные алгоритмы определения мест повреждения линий электропередачи на базе статистических методов // Энергетик. - 2012. - №1. - С.7-10].
6. Вычисление результирующих оценок расстояний путем взвешенной усреднения оценок по активным и реактивным сопротивлениям, а также способу или способам определения мест повреждений ЛЭП. При этом также может быть использовано взвешенное суммирование согласно выражению
p1
p2
где ℓ и ℓ - оценки расстояния по результатам измерений активного и реактивного сопротивлений (выражение 1), а также по одному или нескольким способам определения повреждения ЛЭП;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>p</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>p</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
и
- дисперсии оценок расстояния по результатам измерений активного и реактивного сопротивлений, а также по одному или нескольким способам определения повреждения ЛЭП.
Отметим, что общая точность измерений повышается, т.к. уменьшается дисперсия результирующей оценки расстояния, определяемая формулой
.
1
q
7. Сравнение результирующих оценок расстояния, соответствующих многофазным измерениям (дистанционным органам защиты) с уставками 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, с.19-25]. Результаты сравнения, осуществляемого цифровым процессором 9, преобразуются в выходные сигналы y-y устройства цифровой релейной защиты, которые должны, в том числе, обеспечить отключение поврежденного элемента электрической сети.
Режимы качаний и асинхронного хода в электроэнергетических системах характеризуются возможностью нахождения сопротивления, оцениваемого дистанционной защитой, в областях комплексной плоскости сопротивлений, расположенных внутри характеристик срабатывания дистанционных органов. В предлагаемом способе дистанционной защиты это означает нахождение замеров расстояния в области зон срабатывания. Блокировка дистанционной защиты при качаниях и асинхронном ходе может быть осуществлена по фиксации изменений величины и знака расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания. При этом временные (скоростные) соотношения, связанные с определением плавного изменения вышеуказанного контролируемого параметра, сохраняются, как в известных способах блокировки дистанционных защит.
1
k
1
q
Таким образом, на основе текущей информации о входных токах и напряжениях, входных сигналах x-x вычислительное устройство 6 вырабатывает необходимые решения в соответствии с предлагаемым способом дистанционной защиты ЛЭП, характеризуемые выходными сигналами y-y.
Как указывалось ранее, предлагаемый способ дистанционной защиты ЛЭП обеспечивает большую устойчивость функционирования при воздействии различного рода факторов за счет учета дополнительной информации, извлекаемой из дополнительной реализации одного или нескольких способов определения места повреждения ЛЭП.