СПОСОБ ИНТЕРВАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD OF INTERVAL FAULT LOCALIZATION IN POWER LINE

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретно к релейной защите и автоматике линий электропередачи. Определение места повреждения или иначе локация повреждения представляет собой специфическую задачу анализа аварийного события, ликвидированного релейной защитой. Анализ проводится на основании информации, записанной микропроцессорными терминалами релейной защиты или цифровыми регистраторами аварийных процессов.
Известна группа способов определения места повреждения (ОМП) линии электропередачи (ЛЭП) с использованием ее модели [1-7]. Они ориентированы на привлечение всей доступной информации о состоянии наблюдаемого объекта: априорной информации о структуре и параметрах линии электропередачи, текущей информации в виде осциллограмм токов и напряжений в режиме короткого замыкания и в предшествующем режиме, а также и апостериорной информации, появляющейся после ликвидации короткого замыкания и анализа произошедшего события. Теоретические основы способов такого рода изложены в статье [8]. Там же представлен и полученный к тому времени опыт применения локаторов повреждения, действующих по таким способам. К основным техническим признакам, нашедшим применение, следует отнести фиксацию отсчетов токов и напряжений, наблюдаемых на одной стороне линии в двух сменяющих друг друга режимах - предшествующем повреждению и текущем аварийном режиме, преобразование отсчетов в комплексные сигналы (комплексы); далее следуют наиболее существенные признаки. Прежде всего необходимо указать применение передающей модели линии электропередачи. Такая модель выполняет функции преобразователя - многополюсника в режиме обратной передачи, осуществляющего преобразование входных токов и напряжений в выходные. Передающая модель связывает место наблюдения объекта с местом предполагаемого повреждения, и ее предназначение - формировать комплексы напряжений и токов, имеющих отношение к этому месту. Они не обязательно совпадают с теми величинами, которые реально действуют в этом месте. Ситуацию проясняет дальнейшая обработка величин, сформированных в отдельности по результатам наблюдения предшествующего и текущего режимов. Комплексы напряжений и токов двух режимов преобразуют в комплексный замер. Используя его, определяют координату места повреждения линии.
Согласно данному способу замыкание идентифицируется в том месте, где комплексный замер утрачивает мнимую часть. Таков принцип резистивности повреждения. Если замер - комплексная мощность, то в месте замыкания становится равной нулю ее мнимая часть - реактивная мощность. Если замер - комплексное сопротивление, то в месте замыкания принимает нулевое значение реактивное сопротивление как мнимая часть комплексного.
Все технические признаки прототипа изложены в [8]. Взятые в совокупности они в состоянии выдать оценку координаты места повреждения линии. Однако такому подходу к решению практически важной задачи присущ ощутимый недостаток. Понятно, что оценка смещена относительно истинного значения. Но величина смещения по этому способу не определяется, что затрудняет поиск места повреждения. Поисковикам сообщается всего лишь одно значение - расстояние до спрогнозированного места или номер опоры, на которой предположительно произошло короткое замыкание. Но этого недостаточно. Служба эксплуатации сетей нуждается в указании не единственной точки, а участка линии, на котором гарантированно будет обнаружено произошедшее замыкание.
Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей способа определения места повреждения линии электропередачи. Вместе с этим ставится цель сделать более полной информацию о повреждении электропередачи, предоставляемую пользователям локаторов. Поставленные цели достигаются тем, что вместо точечного определения места повреждения вводится принципиально иной подход - интервальная локация. Сама идея была в чисто теоретическом плане высказана ранее [9]. Здесь же она реализуется совокупностью новых технических признаков, дополняющих известный способ ОМП. Такое стало возможным благодаря сложившимся в относительно недавнее время представлениям о многомерной релейной защите [10] и о методах ее обучения [11]. Многомерность предлагаемого способа заключается в том, что наряду с основным комплексным замером к распознаванию места повреждения привлекается еще и дополнительный комплексный замер. И в этом есть очевидный смысл, так как располагая комплексами двух токов и двух напряжений (предшествующего и текущего режима), нерационально сводить их к единственному замеру. Что же касается обучения локатора, то для этого используют имитационную модель, воспроизводящую режимы наблюдаемого объекта. В процессе обучения отображают комплексы замеров на соответствующих плоскостях. Имитационная модель адекватна реальному объекту и параметры ее элементов варьируют в таких диапазонах, чтобы не упустить никакой из возможных аварийных режимов линии электропередачи в составе электрической системы. Определяют в результате обучения области отображения замеров на их плоскостях. Эти заранее определенные области входят в состав информационного обеспечения локаторов повреждения ЛЭП. Операция интервального определения места замыкания сводится к использованию передающей модели и областей, полученных в итоге обучения локатора. Напряжения и токи, наблюдаемые на объекте, преобразуют в передающей модели в комплексы электрических величин в разных местах предполагаемого повреждения, затем получают комплексы основного и дополнительного замеров и отображают их на соответствующих плоскостях, где указаны заданные области. Из всего множества мест предполагаемых повреждений выбирают те, для которых отображения обоих замеров попадают в их области. Совокупность полученных таким образом мест объединяют в искомый интервал повреждения ЛЭП.
В дополнительных пунктах формулы изобретения конкретизируются оба замера. Они подобраны с таким расчетом, чтобы области их отображения были практически независимы от места замыкания. Тогда появляется возможность задать единую область отображения замера на данной плоскости для всей линии вне зависимости от места, где произошло замыкание.
На фиг. 1 изображена структурная схема линии электропередачи с двухсторонним питанием в режиме короткого замыкания. На фиг. 2 и 3 показано преобразование отсчетов наблюдаемых токов и напряжений в комплексные сигналы. На фиг. 4 изображена передающая модель линии, связывающая место наблюдения с местом предполагаемого повреждения. На фиг. 5 показана структура локатора повреждения. На фиг. 6 и 7 показаны имитационные модели контролируемого объекта - электропередачи на фиг. 1; на фиг. 6 - неповрежденной в предшествующем режиме, а на фиг. 7 - в текущем режиме короткого замыкания. На фиг. 8 и 9 приведены области основного и дополнительного замеров, полученные при обучении имитационной модели. Фиг. 10 иллюстрирует работу обученного локатора повреждения, а фиг. 11 поясняет принцип определения участка линии, заключающего в себе место повреждения линии. Остающиеся фиг. 12-17 относятся к примеру, иллюстрирующему предлагаемый способ. На фиг. 12 - схема электропередачи, представляющая контролируемый объект и служащая в то же время его имитационной моделью. На фиг. 13-16 даны результаты обучения локатора на плоскостях двух замеров, фиг. 13, 14 относятся к первому замеру, фиг. 15, 16 - ко второму. Те же иллюстрации демонстрируют работу локатора, прошедшего обучение. На фиг. 17 приведен окончательный результат работы локатора - интервал, заключающий в себе координату места повреждения.
s
s
Линия электропередачи 1 соединяет подстанции 2 и 3. Вектор токов i(k) и вектор напряжений u(k) наблюдаются на стороне 4; i и u - векторы отсчетов электрических величин многопроводной системы, k - дискретное время, s и r - индексы подстанций 2 и 3, х - координата линии, l - длина линии, х∈(0, l). Предполагается, что в неизвестном месте 5 с координатой  произошло замыкание. Требуется определить участок линии, гарантированно заключающий в себе точку 5.
s
s
s
s
I
U
Отсчеты наблюдаемых величин обрабатывают в фильтре ортогональных составляющих 6. Если на вход фильтра 7 поступает заданное число отсчетов i(k), то на выходе 8 появляется комплексный сигнал . Если же на вход 9 поступает группа отсчетов u(k), то с выхода 10 снимают сигнал .
В
пм
Основным модулем локатора замыканий в предлагаемом способе является передающая модель линии 11, отмеченная матрицей обратной передачи (х), где верхний индекс указывает тип модели, а зависимость от координаты х свидетельствует о том, что модель модифицирует свои параметры в зависимости от места предполагаемого повреждения.
U
I
s
s
Передающая модель 11 с входными зажимами 12 и выходными 13 преобразует комплексы величин ,  в комплексы выходных величин:
В
пм
Эта модель представляет собой один из двух основных модулей локатора. Второй модуль - исполнительный орган 14, определяющий искомый интервал повреждения . Параметры передающей модели 11, образующие матрицу (х), относятся к априорной информации о линии 1. Что же касается исполнительного органа 14, то его содержание определяется в процессе обучения от имитационной модели сети в предшествующем и текущем режимах (фиг. 6 и 7). Имитационная модель включает в себя отдельные модели частей сети 1, 2, 3, а именно модель 15 линии электропередачи 1, модели 16, 17 подстанций 2, 3. Обозначения ,  указывают на активный характер моделей 16, 17 и на их принадлежность к имитационной модели. Сигналами имитационной модели в предшествующем режиме являются комплексы напряжения и тока  и , а ее варьируемые параметры по преимуществу относятся к блокам 16, 17.
В режиме короткого замыкания в общую имитационную модель добавляется еще и модель повреждения 18 (фиг. 7). В простейшем случае это варьируемое переходное сопротивление , включаемое в разных местах линии . Сигналами имитационной модели в текущем аварийном режиме являются комплексы  и .
Z
Н
Z
H
Z
H
Обучение локатора, состоящего из модулей 11, 14, заключается в отображении на плоскостях замеров  и  всевозможных режимов имитационной модели и построении областей отображения этих режимов. На плоскости 19 замера  отображается область 20, обозначенная как S, а на плоскости 21 замера  отображается область 22, отмеченная как S.
Z
H
Исполнительный орган располагает областями 20, 22, полученными в процессе обучения локатора. Наблюдая реальную электропередачу 1, локатор использует эти области, не обращаясь более к имитационной модели. Его передающая модель 11 преобразует входные величины в замеры (x), (х) для разных мест предполагаемого повреждения х.
Исполнительный орган 14 получает в свое распоряжение годографы замеров на плоскостях 19, 21. Если эти годографы попадают внутрь областей 20, 22 при одних и тех же значениях х, то эти координаты включаются в интервал  возможных значений координаты места повреждения .
U
I
U
I
Z
пд
пд
тк
тк
Следует пояснить, почему в предлагаемом способе используется не один, а два замера. Исследования показали, что один замер не обеспечивает приемлемую для практики локализацию координаты повреждения, иначе говоря, небольшую длину интервала  при гарантированном включении в него истинного значения . К тому же, располагая четырьмя комплексами (х), (х), (х), (х) электрических величин в месте предполагаемого повреждения, нерационально сводить всю имеющуюся информацию к единственному комплексу замера, скажем только к (x). Разумеется, можно было ввести еще и третий замер, но полезность этого мероприятия не очевидна.
В предлагаемом способе следует различать этапы обучения локатора повреждений и его функционирования в процессе эксплуатации. Но прежде чем говорить о каждом из двух этапов, необходимо конкретизировать замеры, осуществляемые в месте предполагаемого повреждения. Основным назван замер сопротивления:
используемый в соответствии с критерием резистивности [8]. Согласно этому критерию, напряжение и ток в месте повреждения синфазны, т.е.:
Здесь необходимо заметить, что в отличие от тока в линии , ток  протекает в переходном сопротивлении  (фиг. 7). Аварийная составляющая тока в линии:
синфазна с током  (если допустимо пренебречь влиянием потерь), т.е.:
Из (1)-(4) следует, что в системе без потерь действует простая закономерность
Z
служащая критерием определения координаты . Потери вносят в него некоторую погрешность, тем не менее условие (5) говорит о важной роли замера (x) в поиске места повреждения.
В качестве второго (дополнительного) замера взято отношение напряжений:
U
U
H
тк
пд
определяемых в месте предполагаемого повреждения в сменяющих друг друга предшествующем и текущем режимах. Физическая основа данного замера не имеет отношения к критерию резистивности повреждения. Зато он эффективен при металлическом замыкании (), когда о резистивности говорить не приходится. В окрестности координаты  функция (x) изменяется резко, a (х) - незначительно, что существенно важно для определения значения , так как свидетельствует о высокой чувствительности замера (x) к этому значению.
U
I
Замеры (1) и (6) записаны применительно к двухпроводной модели, что отвечает условиям, складывающимся при трехфазных коротких замыканиях, когда  и  - фазные величины. При междуфазном замыкании они обозначают линейное напряжение и разность токов фаз поврежденного контура трехфазной сети. При однофазном замыкании вновь могут быть взяты фазные величины, однако в этом случае имеется возможность улучшить свойства замера (6), избавив его от влияния составляющих нулевой последовательности. Соответствующая модификация замера:
U
U
A
0
где А - поврежденная фаза,  - фазное напряжение,  - напряжение нулевой последовательности.
U
I
U
I
Z
H
пд
пд
тк
тк
Z
H
s
s
а
а
а
До начала обучения локатора его модуль 14 не располагает какой-либо информацией. На этапе обучения задействована имитационная модель системы (фиг. 6 и 7). Ее выходные величины , ; ,  передаются обучаемому локатору (фиг. 5). Его передающая модель 11 преобразует поступившие сигналы в годографы (х), (х), (х), (х), из которых исполнительный модуль 14 формирует области отображений замеров 20, 22. На этом обучение локатора завершается. Модуль 14 сохраняет в своей памяти полученные области S и S, что означает его готовность к эксплуатации. На смену обучающей процедуре приходит рабочая процедура: обработка входных величин i(k), u(k) в фильтре ортогональных составляющих 6 и затем в передающей модели 11, получение годографов замеров и определение интервалов предполагаемых повреждений. Интервал  определяется годографом (x), интервал  - годографом (х). Результирующий интервал  может быть меньше пересечения интервалов  и , что поясняется на фиг. 10. Так, режим, отображаемый точкой «» на годографах 23, 24, попадает в интервал , потому что точка «» располагается в области 20. Но он не попадает в интервал , так как точка «» не входит в область 22. То же происходит с режимом, отображаемым точкой «с». Хотя она находится в области 22, но зато в области 20 ее нет. Следовательно, в интервал  эти режимы своего вклада не вносят. Режим, отображаемый точкой «b», которая попадает в обе области 20, 22, относится к числу тех, что определяют протяженность интервала .
Z
Z
Z
Z
s1
r1
s
r
s1
r1
s
r
Пример, иллюстрируемый фиг. 12, выполнен для следующих параметров имитационной модели: , ==1+j10 Ом, , l=100 км; k=k=0,9…1,1 о.е., δ=-30°…30°, , где  и  - сопротивления левой и правой подсистем,  - удельное сопротивление линии, δ - угол передачи (разность фаз левого и правого источников), k и k - множители при напряжении источников.
Z
H
s
r
Z
H
Z
H
Области отображения замеров S и S (фиг. 13-16) построены для всего множества значений координаты места предполагаемого повреждения . В ходе построения система на фиг. 12 выступала в качестве имитационной модели с варьируемыми параметрами. Рабочая процедура проведена для конкретного набора параметров: , , δ=10°, k=k=1, и ее итогом являются годографы (x) и (х). На фиг. 14 и 16 пересечения годографов и областей S, S показаны в увеличенном масштабе. Интервалы пересечений: , ; совместный результат: . Обучение гарантирует, что за пределами данного интервала истинное место короткого замыкания находиться принципиально не может.
Источники информации
1. Патент РФ №2033622, МПК G01R 31/11, Н02Н 3/28,  БИ 1995, №11.
2. Патент РФ №2066511, МПК Н02Н 3/40, G01R 31/08, БИ 1996, №25.
3. Патент РФ №2088012, МПК Н02Н 3/40, G01R 31/08, БИ 1997, №23.
4. Патент РФ №2085959, МПК G01R 31/11, БИ 1997, №21.
5. Патент РФ №2107304, МПК G01R 31/11, БИ 1998, №8.
6. Патент РФ №2116654, МПК G01R 31/08, БИ 1998, №21.
7. Патент РФ №2149489, МПК Н02Н 3/40, G01R 31/08, БИ 2000, №14.
8. Лямец Ю.Я., Ильин В.А., Подшивалин Н.В. Программный комплекс анализа аварийных процессов и определения места повреждения линии электропередачи. - Электричество, 1996, №12, с. 2-7.
9. Лямец Ю.Я., Подшивалин А.Н., Исмуков Г.Н. Интервальная локация повреждений линий электропередачи. - Динамика нелинейных дискретных электротехн. и электрон. систем: Материалы 9-й Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: изд-во Чуваш. ун-та, 2011, с. 251-253.
10. Лямец Ю.Я., Нудельман Г.С., Зиновьев Д.С. и др. Многомерная релейная защита. Ч. 1, 2, 3. - Электричество, 2009, №10, с. 17-25; №11, с. 9-15; 2010, №1, с. 9-15.
11. Лямец Ю.Я., Мартынов М.В., Нудельман Г.С. и др. Обучаемая релейная защита. Ч. 1, 2. - Электричество, 2012, №2, с. 15-19; №3, с. 12-18.