Способ определения места однофазного повреждения линии электропередачи с использованием ее моделей

 

Использование: в электротехнике для определения места повреждения линии электропередачи. Сущность изобретения: определение места однофазного замыкания линии электропередачи с использованием ее моделей путем одностороннего измерения напряжений и токов доаварийного и аварийного режимов, подачи напряжения доаварийного режима на входы модели линии электропередачи с подключенной к ней моделью ненаблюдаемой системы. Выполняется последовательность операций с моделями. 5 ил. 3 табл.

Изобретение относится к электротехники, а именно к системной автоматике и релейной защите и предназначено для реализации в устройствах определения места повреждения (ОМП) линии электропередачи (ЛЭП), в органах контроля погасания дуги подпитки в ЛЭП, измерительных органах дистанционной защиты.

Известны способы контроля ЛЭП, основанные на моделировании линии в произвольном, в том числе и переходном режиме, простейшей RLC-моделью. Эти способы имеют ограниченную точность вследствие того, что подобные модели недостаточно отражают свойства ЛЭП при несимметричных повреждениях.

Известен иной способ контроля ЛЭП, основанный на так называемых фантомных схемах. Способ предполагает измерение токов и напряжений в линии, определение их принужденных (синусоидальных) слагаемых основной частоты, подачу принужденных слагаемых напряжений на модели, измерение принужденных слагаемых токов основной частоты моделей и сравнение токов линии с токами моделей.

Этот способ выявляет только сам факт нарушения нормальной работы линии и не обладает способностью точно (а не по таким косвенным признакам, как входное сопротивление) определять место повреждения.

Существует способ определения места повреждения ЛЭП с использованием ее моделей, согласно которому выделяют составляющие основной гармоники токов и напряжений, измеренных в линии, подают напряжения основных гармоник на входы моделей, измеряют токи на указанных входах и сравнивают их с выделенными токами.

Недостатком этого способа является низкая точность, связанная с необходимостью измерений токов и напряжений по обе стороны ЛЭП.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения места однофазного повреждения линии электропередачи с использованием ее моделей путем одностороннего измерения напряжений и токов доаварийного и аварийного режимов, согласно которому подают напряжения доаварийного режима на входы модели линии электропередачи с подключенной к ней моделью ненаблюдаемой системы, состоящей из сопротивлений прямой и нулевой последовательностей и источников напряжения, уравновешивают модель линии по токам доаварийного режима путем подбора источников напряжения модели ненаблюдаемой системы, затем подают на входы модели линии напряжения аварийного режима, подключают в месте предполагаемого повреждения к каждой фазе модели комплексные сопротивления нагрузок и уравновешивают модель по токам путем подбора указанных сопротивлений, определяют поврежденную фазу и координату вероятного повреждения, в которой сопротивление нагрузки поврежденной фазы представляет собой резистор.

Недостатком этого способа является низкая точность определения места повреждения в тех случаях, когда возникает необходимость задаваться в моделях ЛЭП приближенными значениями сопротивлений прямой и нулевой последовательности ненаблюдаемой приемной системы из-за того, что точные значения неизвестны.

Проиллюстрируем данное положение на примере магистральной линии электропередачи ОДУ Северного Кавказа "Кавкасиони" (подстанция Центральная - Ингури ГЭС) длиной l_л=409 км. Линия характеризуется следующими параметрами: линейные ЭДС систем: передающей E_s=500 Кв, приемной E_r=488 Кв; параметры линии прямой и нулевой (в скобках) последовательностей 13,62+j120,8 (74,89+j387,6) Ом, j1,579·10^-3 (j1,098 · 10^-3 См; реактивные сопротивления: реактора X_p=1530 Ом, передающей системы X_s=92,96 (64,48) Ом. Состояние приемной системы характеризуется вариантами сопротивлений прямой и обратной последовательности, три из которых приведены в табл. 1.

Результаты цифрового моделирования ЛЭП и реализации способа-прототипа при различных реальных и задаваемых значениях сопротивлений приемной системы приведены в табл. 2. Из нее видна закономерность: чем более отличаются от реальных задаваемые сопротивления приемной системы, тем хуже осуществляется оценка ординаты однофазного повреждения.

Цель изобретения повышение точности определения места однофазного повреждения линии электропередачи за счет уточнения сопротивлений прямой и нулевой последовательности приемной системы по результатам измерений токов и напряжений линии.

Цель достигается тем, что в способе определения места однофазного замыкания линии электропередачи с использованием ее моделей путем одностороннего измерения напряжений и токов доаварийного и аварийного режимов, согласно которому выделяют напряжения и токи основных гармоник, подают эти напряжения доаварийного режима на входы модели линии электропередачи с подключенной к ней моделью ненаблюдаемой системы, состоящей из сопротивлений прямой последовательности, нулевой последовательности и источников напряжения, уравновешивают модель линии по доаварийным токам путем подбора источников напряжения модели ненаблюдаемой системы, затем подают на входы модели линии напряжения аварийного режима, подключают в месте предполагаемого повреждения к каждой фазе модели комплексные сопротивления нагрузок и уравновешивают модель по токам путем подбора указанных сопротивлений, определяют координату места вероятного повреждения, в котором сопротивление нагрузки поврежденной фазы представляет собой резистор, и поврежденную фазу, определяют ток в резисторе, включают вместо резистора источник указанного тока, определяют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов, исключают источники из модели ненаблюдаемой системы, подают на входы модели линии аварийные составляющие измеренных напряжений, уравновешивают модель линии по токам путем подбора сопротивлений каждой фазы ненаблюдаемой системы, выравнивают мнимые части сопротивлений прямой последовательности фаз ненаблюдаемой системы, сохраняя их сумму неизменной, активные части сопротивлений прямой и нулевой последовательностей обнуляют, отключают от модели линии источник тока, вновь вводят источники напряжения в модель ненаблюдаемой системы, вновь подают на входы модели линии напряжения доаварийного режима и в той же последовательности определяют новую координату места вероятного повреждения, определяют разность новой и предыдущей координаты, сравнивают абсолютное значение разности с уставкой и, если она меньше уставки, определяют место повреждения по новой координате, а если больше уставки, то продолжают определение места повреждений в той же последовательности.

Прототип дополняется в итоге рядом операций, создающих новое качество - определение с высокой точностью координаты места однофазного повреждения при первоначальном неточном задании пассивных параметров приемной системы - сопротивлений прямой и нулевой последовательностей. Важнейшими дополнительными операциями являются: а) уточнение (коррекция) пассивных параметров приемной системы перед каждым новым этапом определения координаты места вероятного повреждения и б) контроль стабильности (неизменности) величины координаты места вероятного повреждения на последующих этапах, что повышает точность определения места однофазного короткого замыкания в ЛЭП.

Иллюстрацией способа служат схемы (фиг. 1-5). На фиг. 1 изображены входы ЛЭП, на которых измеряются напряжения и токи; на фиг. 2 показана модель линии в доаварийном режиме, с подключенной моделью приемной системы; на фиг. 3 полная модель ЛЭП аварийного режима с включенными в месте предполагаемого повреждения к каждой фазе комплексных сопротивлений нагрузок; на фиг. 4 показана модель ЛЭП для аварийных слагающих токов и напряжений; на фиг. 5 изображен вариант структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ.

Со входов 1 реальной линии электропередачи снимаются фазные напряжения 2 и линейные токи 3. В их составе выделяют основные гармоники: доаварийного напряжения 4 и тока 5 , аварийного напряжения 6 и тока 7 , записываемые далее в виде векторов: здесь т индекс транспонирования, а нуль в аргументе означает принадлежность величин к началу линии. Симметричная ЛЭП рассматривается в системе нулевых и безнулевых составляющих. Поэтому кроме определенных выше величин, находят нулевые и безнулевые составляющие напряжений и токов аварийного режима: Кроме уже определенных величин используются аварийные слагающие напряжений 8 а также их нулевые и безнулевые составляющие: (если предполагать, что доаварийный режим был симметричным).

Ко входным зажимам 10 модели фиг. 2 приложено напряжение 4 доаварийного режима и протекают токи 5 доаварийного режима К модели линии (фиг. 2) подключена модель ненаблюдаемой системы 11, состоящая из сопротивления прямой последовательности 12 X_r, нулевой последовательности 13 X_ro и источника напряжения 14 Модель линии фиг. 3 работает уже в аварийном режиме и к ее входу приложено напряжение 6 аварийного режима и протекает ток 7 аварийного режима Источники напряжения 14 и сопротивления 12, 13 приемной системы 11 переносятся в модель приемной системы фиг. 3 из модели доаварийного режима (фиг. 2). В рассматриваемой модели в месте предполагаемого повреждения 15 с координатой X отсчитываемой от начала линии, к каждой фазе подключают комплексные сопротивления нагрузок 16 , в которых протекают токи повреждения 17 . К месту предполагаемого повреждения 15 слева подходят токи 18 , а справа отходят токи 19 напряжение 20 в этом месте
На фиг. 4 изображена модель линии для аварийных слагаемых. К ее входам подводятся аварийные слагаемые напряжения 8 [U_vав] и протекают аварийные слагаемые тока 9 , в месте вероятного повреждения 21 с особую фазу 22 ζ подключен источник тока 23 , а нагрузкой линии является сопротивление 12 (13) ненаблюдаемой приемной системы.

К месту вероятного повреждения 21 в особой фазе ζ слева подходит ток 24 , а справа отходит ток 25 , напряжение 26 в этом месте U_vab(X_f).

Структурная схема состоит из адаптивных фильтров ортогональных составляющих 27-29, входы которых подключены к трансформаторам напряжения и тока, модели доаварийного режима 30, модели аварийного режима 31, модели для аварийных слагающих 32, блока памяти 33, блока сравнения 34 и выходного логического блока 35.

Предлагаемый способ определения места однофазного повреждения ЛЭП с использованием ее моделей заключается в следующем:
1. Со входов 1 линии электропередачи (фиг.1) снимают фазные напряжения 2 и линейные токи 3. В их составе измеряют напряжения и токи доаварийного и аварийного режимов:
2. При подаче на входы модели (фиг.2) доаварийных напряжений 4 и первоначально ориентировано заданных сопротивлений прямой и нулевой последовательностей 12X⁽_r^o), 13X^(o_ro⁾ ненаблюдаемой приемной системы 11, уравновешивают модель линии по токам доаварийного режима 5 путем подбора (регулирования) источников напряжения 14 .

В частности, выполняют операцию:

где для модели длинной линии

для модели короткой линии

Здесь
волновое сопротивление прямой последовательности линии, - постоянная распространения прямой последовательности, l длина линии, - удельное сопротивление линии прямой последовательности.

3. Подают на входы модели линии (фиг.3) напряжения аварийного режима 6 . Подключают в месте предполагаемого повреждения 15 x к каждой фазе модели комплексные сопротивления нагрузок 16 и уравновешивают модель по токам 7 путем подбора (регулирования) указанных комплексных сопротивлений нагрузок. Координата предполагаемого места повреждения 15 x при этом варьируется от 0 до l_л, где l_л длина линии.

С этой целью на модели линии выполняют следующие операции:
3.1. Преобразуют входные величины в величины места предполагаемого повреждения: напряжение 20 на нагрузках 16 и ток 18 , подходящий к ним слева


Для модели длинной линии

Для модели короткой линии

где
постоянная распространения нулевой последовательности, - волновое сопротивление нулевой последовательности, удельное сопротивление нулевой последовательности, x координата места предполагаемого повреждения.

3.2. Преобразуют напряжения места предполагаемого повреждения 20 и напряжения 14 источника напряжения приемной системы 11 в одну из величин места предполагаемого повреждения ток 19 , отходящий справа от нагрузок 16 .

В частности выполняют операцию:

Для модели длинной линии


Для модели короткой линии:

где
X_ro сопротивление нулевой последовательности приемной системы.

3.3. Преобразуют токи в токи 17 , протекающие в нагрузках 16

3.4. Преобразуют напряжение места предполагаемого повреждения 20 и ток 17 в сопротивлении нагрузок 16

Приведенная настройка для заданных входных напряжений 6 и токов 7 и текущих параметров приемной системы 12 X⁽_rⁱ⁾ и 13 X⁽ⁱ_ro⁾, i 0 и источников напряжений приемной системы 14 может быть осуществлена для любой точки предполагаемого повреждения 15 с координатой x Если это так, то фактически для модели фиг.3 R_vn(X) и X_vo(X) есть функции сопротивления фаз нагрузки от аргумента x координаты места предполагаемого повреждения.

Для выбора среди множества x единственной координаты места вероятного повреждения x_f, необходимо воспользоваться известным положением о том, что переходное сопротивление (сопротивление дуги) в месте реального замыкания является чисто активным, что также служит ключом для выбора поврежденной (или особой) фазы однофазного короткого замыкания.

4. Таким образом, далее определяют координату места вероятного повреждения 21 Х_f, в котором сопротивление нагрузки поврежденной фазы представляет собой резистор, и особую фазу 22 ζ, для чего выполняют следующую последовательность операций.

4.1. Сравнивают активные сопротивления фаз нагрузки R_vп(X) с установкой (порогом) R_уст, отсекающим величины R_vп(X) в сотни Ом, которые могут получится как результат погрешности моделирования. Отбираются те значения R_vп(X), отвечающие условию R_vп(X)<R.

4.2. У оставшихся сопротивлений сравнивают углы нагрузок v_vп(x) arctgz(X_vп(X)/R_vп(X)), или, проще, модули отношения , выбирают значение аргумента x такое, чтобы это отношение стремилось к нулю. Иными словами, выбирается координата x в модели, в которой уравновешивание входных токов 7 и напряжений 6 осуществляется практически одним активным сопротивлением нагрузки. Эта координата и принимается за координату вероятного повреждения 21 x_f.

4.3. Фазу, в которую включено указанное выше активное сопротивление, выбирают как поврежденную фазу 22 ζ однофазного короткого замыкания. Кроме этого запоминают первое значение координаты вероятного повреждения X⁽_f¹⁾= X_f.

5. В поврежденной фазе 22 ζ соответствующей координате места вероятного повреждения 21 x_f, дополнительно определяют ток в нагрузке (резисторе)

где
токи, протекающие в поврежденной фазе 22 ζ соответственно слева и справа относительно места вероятного повреждения 21 x_f.

6. В модель линии (фиг.4) вместо резистора включают источник указанного тока 23 , исключают источники ненаблюдаемой приемной системы 14 и согласно (3) определяют аварийные составляющие измеренных напряжений и токов
.

7. Подают на входы модели линии (фиг.4) аварийные составляющие измеренных напряжений 8 и уравновешивают модель по токам 9 путем подбора сопротивлений каждой фазы ненаблюдаемой приемной системы.

Для этого на модели линии (фиг.4) выполнят следующие операции:
7.1. Преобразуют входные величины в величины места вероятного повреждения X⁽_f¹⁾: напряжение и ток , подходящий к месту вероятного повреждения X⁽_f¹⁾ слева:



7.2. Преобразуют ток нагрузки поврежденной фазы и ток в ток , отходящий относительно места вероятного повреждения справа

Следует отметить, что токи двух оставшихся фаз слева и справа относительно точки X⁽_f¹⁾ не претерпевают изменений:

где
ζ-1 отстающая, ζ+1 опережающая фазы относительно поврежденной фазы ζ.

7.3. Преобразуют токи , протекающие правее точки вероятного повреждения X⁽_f¹⁾+ в аварийный ток нулевой последовательности и в аварийные безнулевые токи , протекающие правее точки места вероятного повреждения X⁽¹⁾_f/ +:

7.4. Подбирают новые значения сопротивлений каждой фазы прямой и нулевой последовательности приемной системы.

Выполняют следующую последовательность операций:
а) для прямой последовательности:
для модели короткой линии

для модели длинной линии

где

б) для нулевой последовательности:
для модели короткой линии

для модели длинной линии

где

8. Выравнивают мнимые части сопротивлений прямой последовательности, сохраняя их сумму неизменной, активные части сопротивлений прямой и нулевой последовательности обнуляют, то есть новые значения сопротивлений X⁽¹_ro⁾ и X⁽_r¹⁾ приемной системы принимают равным мнимым частям комплексов соответственно. Кроме того, параметры последних принимают одинаковыми

На этом завершается один этап настройки всех моделей.

Начиная с модели фиг.2, в которую вводят вновь определенные сопротивления X⁽_r¹⁾ и X⁽¹_ro⁾, по описанному выше алгоритму 1-8, определяется новая координата вероятного повреждения X⁽_f²⁾ и подбираются величины сопротивлений приемной системы X⁽_r²⁾, X⁽²_ro⁾.

9. Определяют разность новой координаты X⁽_f²⁾ и предыдущей X⁽_f¹⁾: X⁽_f²⁾- X⁽_f¹⁾, абсолютное значение разности сравнивается с уставкой ΔX_уст. Если данная разность меньше уставки, то принимают за координату места повреждения последнюю координату места вероятного повреждения X⁽_f²⁾. В противном случае продолжается определение места вероятного повреждения по новой координате по вышеизложенному алгоритму 1-8 и сравнение абсолютного значения разности вновь определенной координаты места вероятного повреждения X⁽_fⁱ⁾ на i-ом этапе настройки и предыдущей X⁽_f^i-1) с уставкой до тех пор, пока указанное абсолютное значение не станет меньше уставки, после чего, как описано выше, окончательно определяют координату места однофазного замыкания x_f.

Структурная схема фиг.5 реализует последовательность описанных выше операций 1-9, реализующая предлагаемый способ. Адаптивные фильтры ортогональных составляющих 27-29 выполняют соответственно:
27 операцию (1) выделение комплексов токов и напряжений доаварийного режима ;
28 операцию (2) выделение комплексов аварийного режима ;
29 операцию (3) выделение аварийных слагающих токов и напряжений .

С помощью модели доаварийного режима 30, используя комплексы 5 , а также первоначально заданные сопротивления приемной системы 12X⁽_r^o), 13X^(o_ro⁾, уравновешивают входные токи путем подбора источников напряжения приемного конца , в частности, реализуя операцию (4).

Величины передаются в модель аварийного режима 32, которая, реализуя последовательность операций пунктов 3-5, преобразует входные величины модели координату места вероятного повреждения 21 X⁽_fⁱ⁾, особую фазу 22 ζ, ток повреждения в особой фазе (ток в резисторе) .

В блоке памяти 33 запоминается предыдущее значение координаты места вероятного повреждения X⁽_f^i-1).

В модели для аварийных слагающих 31 аварийные составляющие , а также величины токов повреждений и особая фаза ζ, задаваемые с выхода модели аварийного режима 32 в соответствии с алгоритмом п.п.7, 8 преобразовываются в новые сопротивления приемной системы X⁽ⁱ_ro⁾, X⁽_rⁱ⁾, поступающие на входы модели доаварийного режима 30.

Блок сравнения 34 сравнивает абсолютное значение разности новой и предыдущей координаты места вероятного повреждения с уставкой ΔX_{f уст}, и в случае выполнения условия подает сигнал на выходной логический блок 35. По этому сигналу выходной логический блок 35 передает на свой выход координату места однофазного замыкания x_f, особую фазу ζ, и, возможно, сопротивления ненаблюдаемой приемной системы X_r и X_ro.

В предлагаемом способе, благодаря уточнению на каждом этапе настройки моделей пассивных параметров ненаблюдаемой приемной системы сопротивлений прямой X_r и нулевой последовательности X_ro, оценки координаты места однофазного замыкания приближаются к оценкам, даваемым при точном задании пассивных параметров. Сказанное подтверждается результатами моделирования предлагаемого способа для оценки координаты места однофазного замыкания ЛЭП "Кавкасиони" (см. табл. 3). Сравнение данных таблиц 2 и 3 показывает, что оценки координаты места однофазного К3, полученные в соответствии с предлагаемым способом и при точном задании пассивных параметров, практически не отличаются друг от друга.

Как следует из вышеизложенного, предлагаемый способ достаточно универсален, в том смысле, что наряду с основным своим назначением - определением места однофазного замыкания в ЛЭП пригоден для непрерывного контроля уровня изоляции по , что может служить целям профилактики повреждений, а также контролю состояния дуги подпитки в цикле автоматического повторного включения. Благодаря способности определять сопротивления X_r и X_ro, а на их основе ЭДС ненаблюдаемой приемной системы, способ позволяет также расширять информационную базу состояния линии электропередачи.

Формула изобретения

Способ определения места однофазного замыкания линии электропередачи с использованием ее моделей, при котором выполняют односторонние измерения напряжений и токов линии электропередачи в доаварийном и аварийном режимах, затем напряжения доаварийного режима подают на входы модели доаварийного режима линии электропередачи с подключенной к ней моделью ненаблюдаемой системы, состоящей из сопротивлений прямой последовательности, нулевой последовательности и источников напряжения, после уравновешивают модель линии по токам путем подбора источников напряжения модели ненаблюдаемой системы, затем подают на входы модели аварийного режима для подключенной к ней модели ненаблюдаемой системы с источниками напряжения и сопротивлениями ненеблюдаемой системы из модели доаварийного режима линии для напряжения аварийного режима, выбирают место предполагаемого повреждения, подключают в месте предполагаемого повреждения к каждой фазе модели комплексные сопротивления нагрузок и уравновешивают модель по токам путем подбора этих сопротивлений, причем в процессе уравновешивания определяют координату места вероятного однофазного замыкания линии и поврежденную фазу путем варьирования места подключения комплексных сопротивлений нагрузок по всей длине линии и выявления сопротивления нагрузки в виде резистора, отличающийся тем, что дополнительно определяют ток в резисторе поврежденной фазы, в медель линии для аварийных слагающих вместо резистора включают источник этого определенного тока, определяют аварийные слагающие измеренных напряжений и токов, исключают источники напряжения из модели ненаблюдаемой системы из модели аварийного режима, подают на входы модели линии для аварийных слагающих, аварийные слагающие измеренных напряжений, уравновешивают эту модель по токам путем подбора сопротивлений каждой фазы ненаблюдаемой системы, затем выравнивают мнимые части сопротивления прямой последовательности ненаблюдаемой системы, сохраняя их сумму неизменной, а активные части сопротивлений прямой и нулевой последовательности обнуляют, затем в той же последовательности с вновь определенными сопротивлениями определяют новую координату места вероятного замыкания линии, определяют разность новой и предыдущей координат, сравнивают абсолютное значение разности с уставкой и, если оно меньше уставки, определяют место однофазного замыкания линии электропередачи по новой координате, а если значение этой разности больше уставки, то продолжают определение места повреждения в той же последовательности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7