СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD FOR LOCALISING DAMAGED POINT OF POWER TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к системной автоматике и релейной защите, и предназначено для реализации в устройствах определения места повреждения линий электропередачи (ЛЭП).
Известны способы определения мест повреждения ЛЭП, основанные на измерении параметров аварийного режима и использовании моделей ЛЭП. Информационное обеспечение для реализации таких способов определения мест повреждений по параметрам аварийного режима включает информацию о параметрах ЛЭП и электросети [например, Лямец Ю.Я., Нудельман Г.С., Павлов А.Ю., Ефимов Е.Б., Законьшек Я. Распознаваемость повреждений электропередачи. 4.1. Распознаваемость места повреждения// Электричество, №2, 2001. С.16-23].
Недостатком способов является низкая точность определения расстояния до места повреждения.
Известен способ адаптации дистанционной защиты и определения места повреждения линии электропередачи с использованием ее модели [Патент РФ №2088012, МПК H02H 3/40, G01R 31/08, опубл. 20.08.1997], при котором по двум режимам короткого замыкания путем измерения напряжений и токов на одной стороне линии, подачи измеренных напряжений первого режима на входы первой модели, подключения к первой модели комплексной нагрузки, подбора нагрузки из условия уравновешивания первой модели по токам на входе, подачи измеренных напряжений второго режима на входы второй модели, подключения к второй модели комплексной нагрузки, подбора нагрузки из условия уравновешивания второй модели по токам на входе, к моделям первого и второго режимов линии комплексные нагрузки подключают в местах замыканий, определяют ток в резисторах комплексных нагрузок, отключают реактивные сопротивления комплексных нагрузок, включают вместо резисторов источники определенных токов, подключают модель передающей системы, состоящей из источников напряжения и сопротивлений прямой и нулевой последовательностей, измеряют на входах моделей аварийные токи и напряжения, сравнивают полученные величины с величинами линии, и если разница между ними превышает заданную уставку, определяют комплексные передаточные коэффициенты как отношения измеренных напряжений и токов модели и линии, определяют среднее значение передаточных коэффициентов, и с их помощью корректируют входные величины модели, и вновь уравновешивают их комплексной нагрузкой, и далее продолжают процесс настройки в той же последовательности, фиксируют сближение токов напряжений моделей и линии, после чего корректируют токи и напряжения линии непосредственно в дистанционной защите и определителе места повреждения линии электропередачи.
Недостатком способа является низкая точность определения расстояния до повреждения.
Наиболее близким техническим решением является способ определения места повреждения линии электропередачи [Патент РФ №2437110, МПК G01R 31/11, опубл. БИ №35 от 20.12.2011], включающий хранение в виде моделей информации о параметрах ЛЭП и электросети, получение оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере режима сети, передачу оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере режима сети для вычислений, вычисления расстояния до повреждения и необходимой зоны обхода ЛЭП на основе параметров аварийного режима, номере режима сети и моделей. Согласно способа хранимую в виде моделей информацию о параметрах ЛЭП и электросети периодически корректируют на основании результатов активного зондирования ЛЭП.
Недостатком способа является низкая точность определения расстояния до места повреждения.
Низкая точность известных способов определения места повреждения по параметрам аварийного режима (ПАР) с использованием моделей ЛЭП связана с неполным использованием информации, содержащейся в моделях ЛЭП.
В научно-технической литературе приводится большое количество способов определения мест повреждений по ПАР [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]. Причем ошибки способов определения места повреждения имеют различную природу и могут отличаться не только по величине, но и по знаку. При этом из-за разнополярности ошибок, например, при групповом использовании нескольких способов может происходить взаимная компенсация ошибок и соответственно повышение точности определения расстояния до повреждения.
Следует отметить, что как отечественные, так и зарубежные программные и аппаратные средства определения места повреждения используют единственный индивидуализированный для каждого средства способ расчета расстояния по всей длине ЛЭП. Очевидно, что использование группы способов, а тем более набор специальных групп для каждого из участков ЛЭП позволит существенно повысить точность определения расстояния до повреждения.
Информационной базой для повышения точности определения мест повреждения могут стать имитационные модели, учитывающие специфику каждой конкретной ЛЭП и особенности режимов ее функционирования. Именно с использованием адекватных имитационных моделей возможен сопоставительный анализ ошибок и точности выбранных способов определения места повреждения ЛЭП, а также обоснование преимущества предлагаемого способа.
Задача изобретения - повышение точности определения расстояния до места повреждения ЛЭП.
Поставленная задача достигается способом определения места повреждения линии электропередачи, включающим хранение в виде моделей информации о параметрах ЛЭП и электросети, получение оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере режима сети, передачу оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере сети для вычислений, вычисления расстояния до повреждения и необходимой зоны обхода ЛЭП на основе параметров аварийного режима, номера режима сети и моделей, хранимую в виде моделей информацию о параметрах ЛЭП и электросети периодически корректируют на основании результатов активного зондирования ЛЭП. Согласно предложению для каждого участка ЛЭП формируют собственный расчет расстояния до места повреждения, представляющий собой взвешенную сумму оценок расстояния до повреждения, определенных по совокупности известных способов определения места повреждения ЛЭП по параметрам аварийного режима, а веса для суммирования получают по результатам моделирования повреждений ЛЭП и электросети.
Предлагаемый способ определения места повреждения мест может быть реализован различными устройствами, в частности устройством, реализующим способ-прототип [Патент РФ №2437110, G01R 31/11, опубл. 20.12.2011, БИ №35]. При этом устройство содержит генератор зондирующих импульсов, состоящий из блока управляемого выходного сопротивления, блока памяти, цифроананалогового преобразователя и усилителя мощности, приемника, вычислительного блока (например, микро ЭВМ), блок индикации.
Устройство работает следующим образом.
Перед каждым зондированием производят согласование выходного сопротивления генератора зондирующих импульсов с волновым сопротивлением линии, подключенной к выходу блока управляемого выходного сопротивления. Режим согласования устанавливается вычислительным блоком в соответствии с заданным диапазоном сопротивлений и требуемой точностью согласования.
В вычислительный блок осуществляется загрузка специального программного обеспечения, позволяющего на основе хранимых моделей ЛЭП с распределенными параметрами, а также собранных осциллограмм аварийных токов и напряжений производить расчеты расстояния до места повреждения ЛЭП. Предлагается, что в специальном программном обеспечении имеется возможность производить расчеты расстояния по нескольким способам определения места повреждения ЛЭП.
Дополнительно в вычислительный блок поступает информация от средств диспетчерско-технологического управления электроэнергетических систем, что обеспечивает хранение и использование данных о состоянии энергообъектов и номере режима сети.
Загрузка в вычислительный блок специального программного обеспечения позволяет по осциллограммам аварийных токов и напряжений, поступающих с регистраторов аварийных событий, осуществлять расчет расстояния до места повреждения ЛЭП по нескольким способам для каждого из участков ЛЭП согласно модели с распределенными параметрами. Результаты расчетов могут отображаться блоком индикации, а также передаваться на верхний уровень диспетчерско-технологического управления через вход/выход вычислительного блока.
Генератор зондирующих импульсов периодически осуществляет зондирование ЛЭП радиоимпульсами различных частот. Отраженные от неоднородностей ЛЭП сигналы из линии поступают на приемник. После оптимальной обработки на фоне помех (например, согласованной фильтрации) в приемнике производится аналого-цифровое преобразование сигналов и передача их в вычислительный блок.
В вычислительном блоке реализуются расчеты согласно способу-прототипу для модели ЛЭП и для каждого из зондирующих сигналов заданной несущей частоты. В результате таких расчетов с использованием зондирования формируется актуализированная модель линии с распределенными параметрами.
В последующем с использованием актуализированной модели ЛЭП, а также специального программного обеспечения вычислительного блока осуществляется имитирование повреждений на отдельных участках ЛЭП с последующим определением места повреждения по различным способам. По результатам имитационных экспериментов по группе способов для каждого из участков ЛЭП формируется собственный вариант расчета расстояния до места повреждения на основе точностных характеристик каждого из способов в группе. Для участка ЛЭП итоговый расчет расстояния до места повреждения представляет собой взвешенную сумму оценок расстояния до повреждения по каждому из способов, входящих в группу. Следует отметить, что в качестве дополнительной информации при проведении имитационных экспериментов может привлекаться информация, полученная из программных продуктов для моделирования ЛЭП, а также реальных отключений линий. При этом достигается взаимная компенсация систематических погрешностей частных и результирующего способов расчета расстояния до повреждения и обеспечивается повышенная точность.
Основу расчетных процедур целесообразно реализовать с использованием интерационных выражений [например, Куликов А.Л., Петрухин А.А., Мисриханов М.Ш. Определение мест повреждений ЛЭП 6-35 кВ методами активного зондирования: Монограф./ Под ред. В.А Шуина. - М.: Энергоатомиздат, 2009. С.59-66] для определения расстояния до повреждения
<mrow><msub><mrow><mover><mi>x</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>к</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mover><mi>x</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mi>к</mi></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>к</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>к</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mover><mi>x</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mrow><mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>к</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mrow><mover><mi>x</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mi>к</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
;
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>к</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>D</mi><mi>к</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mi>μ</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>D</mi><msub><mi>у</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>к</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
;
<mrow><msub><mrow><mover><mi>x</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mi>к</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover><mi>x</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
к
ук
µк
где
- оценка расстояния до места повреждения на предыдущем шаге;
- оценка расстояния до места повреждения по одному из способов (y) группы; D - дисперсия оценок расстояния на предыдущем шаге; D - дисперсия оценок расстояния по одному из способов (y) группы; D - дисперсия (коэффициент), характеризующий диапазон изменений параметра оценки расстояния в ходе итераций.
(к+1)
у(к+1)
В расчетах участвуют результаты имитационного моделирования, прежде всего требуемый весовой коэффициент D/D, с которым происходит суммирование результатов реализации частных способов определения места повреждения на заданном участке ЛЭП.
Для обеспечения требуемой точности определения места повреждения на отдельном участке ЛЭП в состав группы способов может входить как один, так и достаточно большое количество частных способов. Выбор зависит от:
- степени коррелированности ошибок оценки расстояния между способами;
- выбора последовательности применения способов в итерационной процедуре;
- ряда других факторов.
Очевидно, чем более точный набор способов определения места повреждения ЛЭП выбран в начале итерационной процедуры, тем быстрее будет получен требуемый результат.
Для обоснования преимуществ предлагаемого способа определения места повреждения линии электропередачи проводилось имитационное моделирование электроэнергетических систем и объектов. В качестве объектов моделирования использовались ЛЭП 500-220 кВ Нижегородской энергосистемы.
Точность расчета расстояния до повреждения напрямую зависит от параметров линии и электроэнергетической системы. Для формирования точностных характеристик определения места повреждения ЛЭП необходимо обеспечить изменение этих параметров во всем диапазоне возможных значений. Соответственно, в качестве варьируемых элементов имитационной модели использовались значения продольного и поперечного сопротивления П-образной схемы замещения ЛЭП для схем прямой и нулевой последовательностей, данные удаленной системы и режима электропередачи. Диапазоны изменяемых параметров представлены в таблице 1.
Таблица 1
Диапазоны изменения параметров
Параметры имитационной модели
Закон распределения псевдослучайной величины
Сопротивление прямой и нулевой последовательности на каждом участке ЛЭП
Нормальный закон со среднеквадратическим отклонением 10%
Сопротивление прямой и нулевой последовательности удаленной системы
Нормальный закон со среднеквадратическим отклонением 15%
Угол передачи
Равномерный закон распределения δ=0…60°
Численные значения параметров (табл.1) выбраны для примера при обосновании преимуществ предлагаемого способа. Для каждой конкретной анализируемой ЛЭП они должны уточняться при сохранении последовательности операций способа.
Результаты испытаний на имитационных моделях ЛЭП Нижегородской энергосистемы представлены на фиг.1. В расчетном примере (фиг.1) использовались [Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи /Под ред. В.А. Шуина. - М.: Энергоатомиздат, 2000] следующие односторонние способы определения места повреждения ЛЭП:
1. - на основе закона Ома (реактивное сопротивление);
2. - на основе индикаторного микропроцессорного фиксирующего (ИМФ-3Р);
3. - на основе замера реактивной мощности.
На фиг.1а приведено изменение среднеквадратической ошибки для способов определения места повреждения 1, 2, 3 и предлагаемого способа для ВЛ 500 кВ Луч - Нижегородская вдоль длины линии. Точность способов 1, 2, 3 неоднородно изменяется вдоль линии, отдельные способы оказываются точнее на одних участках линии (способ 2 в начале ВЛ), другие на других участках линии (способ 3 в средине и конце ВЛ). При использовании предлагаемого способа определения места повреждения линии электропередачи уровень среднеквадратической ошибки существенно снижается за счет использования достоинств способов 1, 2, 3.
К аналогичным рассуждениям можно прийти при рассмотрении линии с транспозицией ВЛ 500 кВ Ульяновская - Южная (фиг.1б). В предлагаемом способе объединение позволяет реализовать компенсацию ошибки способа 2 за счет способов 1,2. Использование менее точного способа 2 на этой ЛЭП обусловлено тем, что хотя способ 2 имеет наибольшую (среди используемых) среднеквадратическую ошибку, он позволяет скомпенсировать завышенную оценку расстояния до повреждения в средине линии и заниженную в конце ЛЭП. Вследствие большой дисперсии его влияние на результирующую оценку расстояния невелико, но использование большего числа способов позволяет получить более устойчивую оценку.
Для ВЛ 220 кВ Луч - Нагорная (фиг.1в), связанной взаимоиндукцией с соседней ЛЭП почти по всей длине, в интегральном предлагаемом способе частные способы компенсируют ошибки друг друга. Ни один из способов не дает приемлемого результата в целом для ЛЭП, только для отдельных ее участков. Предлагаемый способ позволяет выбирать наиболее точные на выбранном участке частные способы и присваивать им наибольший вес в результирующей оценке расстояния. Тем самым повышается точность определения места повреждения ЛЭП.
Важнейшим преимуществом предлагаемого способа определения места повреждения линии электропередачи является уменьшение дисперсии (степени разброса) групповой оценки расстояния до повреждения по сравнению с частными способами (фиг.1). Такое качество позволяет сократить зону обхода ЛЭП и в конечном итоге ускорить ликвидацию аварийной ситуации. Для односторонних способов определения места повреждения ЛЭП характерно увеличение ошибок при повреждениях в конце линии (фиг.1). Именно предлагаемый способ обеспечивает снижение ошибок в конце ЛЭП и требуемую эксплуатационную точность.
Преимущество предлагаемого способа также подтверждают результаты экспериментов с осциллограммами реальных повреждений ЛЭП.
В табл.2. приведены данные, характеризующие точность определения места повреждения на основе аварийных отключений ЛЭП 500-220 кВ в 2010-2011 г.г. в Нижегородской энергосистеме.
Сопоставление предлагаемого способа по точности производилось с микропроцессорными приборами (ИМФ-ЗР, ПАРМА) и программными средствами (программный комплекс WinBres), находящимися в эксплуатации электросетевого предприятия. Анализ табл.2 свидетельствует о преимуществе предлагаемого способа.