СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD OF DETERMINING DISTANCE TO POINT OF DAMAGE ON POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для определения места повреждения в трехфазной линии электропередачи (ЛЭП) высокого и сверхвысокого напряжения.
1
Известно техническое решение [Патент US 659718, Fault point location system от 22.07.2003], заключающееся в определении расстояния до места повреждения на линии электропередачи, по которому измеряют и синхронизируют токи фаз линии на каждом из концов линии, формируют математические комбинации этих токов, выделяют аварийные составляющие этих комбинаций, последовательно фиксируют время превышения аварийными составляющими порогового значения на данном конце линии и, с помощью спутниковой навигационной системы, время превышения аварийными составляющими порогового значения на другом конце линии, измеряют разность этих времен, вычисляют расстояние L до места повреждения линии по выражению
1
1
2
L= (L+(t-t)×V)/2,
1
2
где L - длина ЛЭП, V - скорость распространения аварийных составляющих, t, t- время превышения аварийных составляющих порогового значения на концах ЛЭП.
При этом пороговое значение для аварийных составляющих устанавливается на уровне, значительно превышающем уровень помех. После обнаружения превышения аварийными составляющими данного порогового значения производится уточнение фронта с использованием предыстории и установлением порогового значения чуть выше уровня помех.
Недостатком этого технического решения является установление порогового значения выше уровня помех, что не позволяет с высокой точностью выделить фронт волны переходного процесса, кроме того, из-за возможного различия в уровне помех на одном и другом концах ЛЭП возможна различная задержка по времени от фронта волны переходного процесса до момента его обнаружения, что негативно сказывается на точности определения места повреждения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Способ определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи» [Патент РФ №2475768, МПК G01R 31/08, опубл. 20.02.2013, бюл. №5], по которому на каждом из концов линии измеряют токи и напряжения, выделяют из измеренных токов и напряжений аварийный сигнал, вычисляют коэффициент эксцесса выделенного аварийного сигнала внутри скользящего временного окна, сравнивают вычисленный коэффициент эксцесса с величиной порога, фиксируют момент превышения порога с помощью спутниковой навигационной системы и вычисляют расстояние до места повреждения по разности моментов превышения порогов, зафиксированных на концах линии.
В описании способа-прототипа отмечается, что техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение чувствительности и точности определения места повреждения на ЛЭП за счет более точного выделения фронта волны переходного процесса из совокупности аварийных составляющих, подчиняющихся нормальному закону распределения.
Однако из статистической теории обнаружения сигналов на фоне помех [например, Хелстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. - М.: Изд-во Иностранной литературы, 1963, 433 с.] известно, что оптимальная, с точки зрения обнаружения сигнала на фоне помех, подчиненных нормальному закону распределения, процедура обнаружения сигнала состоит в согласованной фильтрации. Она обеспечивает наибольшее отношение сигнал/шум на выходе устройства обработки и наилучшее измерение параметров сигнала на фоне гауссовского (нормального) шума [например, Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, 416 с.].
Поэтому неоптимальность процедуры обнаружения аварийного сигнала на фоне помех, реализованная в способе-прототипе, приводит к занижению чувствительности устройства, реализованного на его основе, а также в конечном итоге к снижению точности определения места повреждения ЛЭП.
Следует отметить, что характеристику согласованного фильтра следует выбирать согласованной аварийному сигналу. Поэтому выбор характеристики фильтра целесообразно реализовать по результатам имитационного моделирования повреждений на ЛЭП. Для чего фиксируются аварийные составляющие при имитации повреждений на различных точках ЛЭП, усреднение которых приводит к характеристике согласованного фильтра. В качестве средства моделирования целесообразно применять программный комплекс PSCAD, позволяющий имитировать волновые процессы на ЛЭП (например, www.ennlab.ru).
Задачей изобретения является повышение чувствительности и точности определения места повреждения ЛЭП за счет более точного выделения фронта волны переходного процесса из совокупности помех и аварийных составляющих, подчиняющихся нормальному закону распределения.
Поставленная задача достигается способом определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи, по которому на каждом из концов линии измеряют токи и напряжения, выделяют из измеренных токов и напряжений аварийный сигнал, производят вычисления внутри скользящего временного окна и производят сравнение с величиной порога, фиксируют момент превышения порога с помощью спутниковой навигационной системы и вычисляют расстояние до места повреждения по разности моментов превышения порога, зафиксированных на концах линии. Согласно предложения внутри скользящего окна реализуют согласованную фильтрацию аварийного сигнала, а результаты согласованной фильтрации сравнивают с величиной порога, при этом характеристику согласованного фильтра выбирают по результатам предварительного имитационного моделирования повреждений на линии электропередачи.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом на фиг.1, где изображено устройство, реализующее способ определения расстояния до места повреждения на ЛЭП.
А
В
С
А
В
С
Устройство содержит блок 1, выделяющий аварийный сигнал из измеренных фазных токов и напряжений. Ко входам блока 1 подключены измеритель V напряжения фазы А, измеритель V напряжения фазы В, измеритель Vнапряжения фазы С, измеритель Атока фазы А, измеритель Атока фазы В, измеритель Атока фазы С. К выходу блока 1 подключен блок 2, реализующий согласованную фильтрацию аварийного сигнала внутри скользящего временного окна. К выходу блока 2 подключен первый вход компаратора 3, сравнивающий результаты согласованной фильтрации с величиной порога, задаваемого на втором входе компаратора 3 блоком 4. Выход компаратора 3 подключен к входу захвата таймера 5. К счетному входу таймера 5 подключен выход блока 6, принимающего хронирующие импульсы спутниковой навигационной системы. Выход таймера 5 соединен с блоком 7 связи, который передает на диспетчерский пульт время прихода фронта аварийного сигнала на соответствующий конец ЛЭП.
Определение места повреждения осуществляется следующим образом.
Перед началом работы устройства производится имитационное моделирование повреждений на линии электропередачи для получения характеристики фильтра, согласованного аварийному сигналу. Для этого привлекаются средства имитационного моделирования и соответствующий программный комплекс. В результате формируют импульсную характеристику фильтра для заданной линии электропередачи, на основе которой реализуется блок 2 согласованной фильтрации аварийного сигнала. Пример импульсной характеристики согласованного фильтра, полученной по результатам имитационного моделирования, приведен на фиг.2. Принципы построения, а также схемные решения согласованных фильтров изложены, например, в [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, 416 с.].
Выделение аварийного сигнала в блоке 1 осуществляют аналогично прототипу путем формирования математической комбинации измеренных токов и напряжений. Комбинацию формируют так, чтобы в нормальном режиме работы ЛЭП, когда в линии отсутствует переходный процесс, на выходе блока 1 отсутствовал аварийный сигнал и присутствовали лишь помехи. Эти помехи представляют собой шум, подчиняющийся нормальному закону распределения. Нормальность закона распределения подтверждается теоретически наличием большого количества факторов, влияющих на величину сигналов аварийных составляющих, и их недоминирующим вкладом (центральная предельная теорема), а также экспериментально. С выхода блока 1 аварийный сигнал поступает на блок 2, в котором в реальном времени внутри скользящего окна реализуется согласованная фильтрация аварийного сигнала, выделенного блоком 1. Из теории известно [например, Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, 416 с.], что согласованная фильтрация является оптимальной (наилучшей) процедурой при обнаружении и измерении сигналов на фоне шума с нормальным законом распределения. Поскольку предлагаемый способ основан на оптимальной процедуре, то он обладает большей чувствительностью по сравнению с другими способами и позволяет выделять начало переходного процесса при значении аварийного сигнала, меньшем уровня шума. При превышении сигналом с выхода блока 2 значения порога, заданного блоком 4, срабатывает компаратор 3. Блок 4 задает чувствительность устройства по определению начала аварийного переходного процесса. Принятые блоком 6 хронирующие импульсы спутниковой навигационной системы поступают на счетный вход таймера 5 и формируют временную базу. Сигнал с выхода компаратора 3 при его срабатывании подается на вход захвата таймера 5. При этом таймер 5 фиксирует момент превышения порога и через блок 7 связи передает начала переходного процесса на диспетчерский пункт. На диспетчерском пункте вычисляется расстояние до места повреждения по выражению
1
1
2
L= (L+(t-t)×V)/2,
1
2
где L - длина ЛЭП, V - скорость распространения аварийных составляющих, t, t- моменты превышения порога, зафиксированные таймерами 5 на противоположных концах ЛЭП.
Для обоснования преимуществ предлагаемого способа определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи проводилось имитационное моделирование обнаружения сигналов аварийного переходного процесса в условиях шума с нормальным законом распределения. В качестве характеристики процесса обнаружения аварийного сигнала было выбрано отношение сигнал/шум. При этом имитация работы устройства, реализующего способ сопровождалась построением «рабочих характеристик приемника» [например, Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, с. 24-25, 65-68], характеризующих обнаружение сигнала на фоне шума. Результаты моделирования (рабочие характеристики приемника) представлены на фиг.3. Анализ фиг.3 показывает, что предлагаемый способ позволяет обнаружить аварийный сигнал при существенно меньшем отношении сигнал/шум, а следовательно, обладает большей чувствительностью и точностью определения места повреждения за счет выявления фронта аварийного сигнала при большем уровне шума.