Способ двухстороннего волнового определения места повреждения кабельно-воздушной линии электропередачи
METHOD FOR TWO-WAY WAVE DETERMINATION OF THE CABLE-OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE DAMAGE SITE

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к релейной защите и автоматике и может быть использовано для определения места повреждения на кабельно-воздушной линии электропередачи.
При описании изобретения используются следующие термины:
- фронт первоначальной волны: фронт волны, сформированной в месте возникновения повреждения на линии электропередачи (ЛЭП) и достигшей места установки устройства;
- фронт первой отраженной от места повреждения волны: фронт волны, достигшей места установки устройства после первого отражения от места повреждения.
Известен способ двухстороннего волнового определения места повреждения на кабельно-воздушной ЛЭП (Lei Wang, Hui Liu, Le Van Dai and Yuwei Liu Novel Method for Identifying Fault Location of Mixed Lines. Energies 2018, 11; doi:10.3390/en11061529), согласно которому место повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам кабельно-воздушной ЛЭП. При этом в каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или напряжения, преобразуют их в контролируемый сигнал и определяют в нем момент возникновения фронта первоначальной волны. Через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте возникновения фронта первоначальной волны в его контролируемом сигнале и определяют длительность интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн. После этого последовательно полагают каждую секцию поврежденной и рассчитывают расстояние до места повреждения, используя длительность интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн и скорость распространения волны в каждой секции как скорость распространения в соответствующей линии без потерь. Если координата рассчитанного места повреждения находится в пределах условно поврежденной секции, то это место принимается за место повреждения на ЛЭП.
Принятое допущение, что в секциях волна распространяется со скоростью в линии без потерь, приводит к увеличению погрешности определения расстояния до места повреждения.
Этот недостаток устранен в способе двухстороннего волнового определения места повреждения на кабельно-воздушной ЛЭП (S. Marx, Y. Tong and M.V. Mynam, "Traveling-Wave Fault Locating for Multiterminal and Hybrid Transmission Lines", 45th Annual Western Protective Relay Conference Spokane, October 16–18, 2018). Согласно ему место повреждения определяют также по измерениям двух устройств, установленных по концам кабельно-воздушной ЛЭП. В каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или напряжения, преобразуют их в контролируемый сигнал и определяют в нем момент возникновения фронта первоначальной волны. Через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте возникновения фронта первоначальной волны в его контролируемом сигнале и определяют длительность интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн.
Для локализации места повреждения определяют скорость распространения волны в секциях кабельно-воздушной ЛЭП. С этой целью проводят плановое включение ЛЭП и определяют длительности интервалов между моментами возникновения фронтов волн, отраженных от границ секции. Скорость распространения волны в каждой секции оценивают как скорость, с которой волна пробегает расстояние, равное удвоенной длине секции, за время, равное длительности интервала между моментами возникновения фронтов волн, отраженных от границ секции.
Последовательно определяют расчетные длительности интервалов между моментами возникновения фронтов первоначальных волн, условно принимая расположение мест повреждения на границах секций кабельно-воздушной ЛЭП, и определяют поврежденную секцию по месту расположения длительности интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн при повреждении на ЛЭП в последовательности расчетных длительностей интервалов.
Расстояние до места повреждения определяют на основе скорости распространения волны в каждой секции кабельно-воздушной ЛЭП и длительности интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн.
При работе рассматриваемого способа требуется выполнить плановое отключение и последующее включение кабельно-воздушной ЛЭП для определения скорости распространения волны в секциях. Это значительно усложняет реализацию способа.
Этот способ является наиболее близким к предлагаемому способу по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату, и принят за прототип.
Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, заключается в упрощении определения расстояния до места повреждения.
С этой целью в известный способ двухстороннего волнового определения места повреждения кабельно-воздушной ЛЭП, согласно которому место повреждения определяют по измерениям двух устройств, установленных по концам кабельно-воздушной ЛЭП, в каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи или напряжения, преобразуют их в контролируемый сигнал и определяют в нем момент возникновения фронта первоначальной волны, через каналы передачи информации получают от другого устройства информацию о моменте возникновения фронта первоначальной волны в его контролируемом сигнале и определяют длительность интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн, определяют поврежденную секцию, скорость распространения волны в ней и расстояние до места повреждения, вводят новые операции. Их сущность заключается в том, что в каждом устройстве в момент возникновения фронта первоначальной волны запускают счетчик времени. По расстоянию до места повреждения, определенному другим способом, находят оценку момента возникновения фронта первой отраженной от места повреждения волны и относительно нее задают временнóе окно, в пределах которого в контролируемом сигнале обнаруживают фронт волны и в момент его возникновения останавливают счетчик времени. Скорость распространения волны в поврежденной секции определяют как скорость, с которой волна пробегает расстояние, равное удвоенной длине поврежденной секции за время, равное сумме показаний счетчиков времени своего и другого устройств. Причем расстояние до места повреждения определяют как сумму длин неповрежденных секций ЛЭП со стороны устройства и части поврежденной секции, которую проходит волна за время, равное половине показания своего счетчика времени.
Вторая реализация способа отличается тем, что фазные токи или напряжения преобразуют в контролируемый сигнал согласно одному из правил преобразования Кларк, Ведпола или Карренбауэра с последующим заграждением основной гармоники.
Третья реализация способа отличается тем, что последовательно определяют расчетные длительности интервалов между моментами возникновения фронтов первоначальных волн, условно принимая расположение мест повреждения на границах секций кабельно-воздушной ЛЭП, и определяют поврежденную секцию по месту расположения длительности интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн при повреждении на ЛЭП в последовательности расчетных длительностей интервалов.
Четвертая реализация способа отличается тем, что поврежденную секцию определяют по расположению места повреждения, определенному другим способом.
Фиг. 1 иллюстрирует работу прототипа по определению скорости распространения волны в секциях кабельно-воздушной ЛЭП. Фиг. 2 иллюстрирует работу предлагаемого способа. На фигурах используются следующие обозначения:  и  – устройства;  – длины секций кабельно-воздушной ЛЭП;  – место повреждения;  – моменты возникновения фронтов волн, отраженных от границ секций;  и  – момент возникновения фронта первоначальной волны в устройстве  и , соответственно;  и  – оценки момента возникновения фронта первой отраженной от места повреждения волны в устройстве  и , соответственно;  и  – моменты возникновения фронта первой отраженной от места повреждения волны в устройстве  и , соответственно;  и  – времена пробега волной ближней и дальней части поврежденной секции дважды, соответственно.
В прототипе и предлагаемом способе место повреждения  определяют по измерениям устройств  и , установленных по концам кабельно-воздушной ЛЭП. В каждом устройстве синхронно с другим устройством измеряют свои фазные токи  или напряжения  ( – обозначение фаз) и преобразуют их в контролируемый сигнал.
При пояснении принципа действия способа будем полагать, что контролируемый сигнал получен путем преобразования фазных токов . Работа способа при контролируемом сигнале, полученном путем преобразования фазных напряжений , будет аналогична.
Контролируемый сигнал создают в два этапа. На первом этапе три фазных тока ,  и  линейно преобразуются, например, по одному из правил преобразования:
где  – матрица преобразования Кларк;
или  – матрица преобразования Карренбауэра;
или  – матрица преобразования Ведпола.
Примем для определенности, что преобразованный таким образом сигнал получен с использованием преобразования Ведпола и представлен составляющей воздушного канала . На втором этапе завершается формирование контролируемого сигнала путем заграждения основной гармоники в сигнале .
В контролируемом сигнале определяют момент возникновения фронта первоначальной волны (в устройстве  – момент , а в устройстве  – момент ) [Фиг. 2]. В простейшем случае момент возникновения фронта первоначальной волны определяется как момент превышения абсолютным значением контролируемого сигнала некоторого порога (E. O. Schweitzer, A. Guzmán, M. V. Mynam, V. Skendzic, B. Kasztenny and S. Marx, "Locating faults by the traveling waves they launch,"2014 67th Annual Conference for Protective Relay Engineers, 2014, pp. 95-110).
Через каналы передачи информации одно устройство получает от другого информацию о моменте возникновения фронта первоначальной волны в его контролируемом сигнале и определяет длительность интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн.
Последовательно определяют расчетные длительности интервалов между моментами возникновения фронтов первоначальных волн, условно принимая расположение мест повреждения на границах секций кабельно-воздушной ЛЭП, и определяют поврежденную секцию по месту расположения длительности интервала между моментами возникновения фронтов первоначальных волн при повреждении на ЛЭП в последовательности расчетных длительностей интервалов.
Все вышеописанное относится как к прототипу, так и к предлагаемому способу.
Отличие между прототипом и предлагаемым изобретением заключается в способе определения скорости распространения волны и способе определения расстояния до места повреждения на кабельно-воздушной ЛЭП.
Изложение принципа действия предлагаемого способа и прототипа будем вести на примере работы устройства . Работа устройства  будет аналогична.
В прототипе расстояние до места повреждения определяют по алгоритму
где  – сумма длин неповрежденных секций ЛЭП со стороны устройства ;
– длина поврежденной секции кабельно-воздушной ЛЭП;
() и  () – длина i-й (j-й) неповрежденной секции, находящейся между дальней (ближней) границей поврежденной секции и местом установки другого (своего) устройства, и скорость распространения волны в ней;
() – количество неповрежденных секций ЛЭП, находящихся между дальней (ближней) границей поврежденной секции и местом установки другого (своего) устройства;
– скорость распространения волны в поврежденной секции.
В прототипе для определения расстояния до места повреждения необходимо знать скорость распространения волны на поврежденной секции  и на всех остальных секциях. С этой целью проводят плановое включение ЛЭП и определяют длительности интервалов между моментами возникновения фронтов волн, отраженных от границ секции (фиг. 1). Скорость распространения волны в каждой секции оценивают как скорость, с которой волна пробегает расстояние, равное удвоенной длине секции, за время, равное длительности интервала между моментами возникновения фронтов волн, отраженных от ее границ:
где  – длина g-й секции кабельно-воздушной ЛЭП, ,  – количество секций;
и  – моменты возникновения фронтов волн, отраженных от границ g-й секции. Такой способ определения скорости распространения волны сложен в реализации.
В предлагаемом способе отключать ЛЭП не требуется, так как место повреждения определятся по алгоритму:
где  – время пробега волной ближней части поврежденной секции дважды (фиг. 2).
Для определения времени  пробега волной ближней части поврежденной секции  в момент возникновения фронта первоначальной волны  запускают счетчик времени. По расстоянию до места повреждения, определенному другим способом , находят оценку момента возникновения фронта первой отраженной от места повреждения волны :
где  – скорость распространения волны в соответствующей линии без потерь. Относительно оценки момента возникновения фронта первой отраженной от места повреждения волны  задают временнóе окно, в пределах которого в контролируемом сигнале обнаруживают фронт волны и в момент  его возникновения останавливают счетчик времени.
Скорость распространения волны в поврежденной секции  определяют как скорость, с которой волна пробегает  расстояние, равное удвоенной длине поврежденной секции кабельно-воздушной ЛЭП (2 на фиг. 2), за время, равное сумме показаний счетчиков времени своего и другого устройств (равны временам пробега волной ближней и дальней части поврежденной секции дважды,  и , соответственно):
где  – время пробега волной дальней части поврежденной секции дважды (фиг. 2).
Напомним, что устройство на противоположном конце работает аналогично.
Таким образом, благодаря новому способу определения расстояния до места повреждения и новому способу оценки скорости распространения волны в поврежденной секции, упрощается определение расстояния до места повреждения на кабельно-воздушной ЛЭП.