Способ определения поврежденного участка разветвленной распределительной сети

Способ определения поврежденного участка разветвленной распределительной сети

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно к релейной защите распределительных сетей. Это - сети с изолированной или компенсированной нейтралью, которые характеризуются малыми токами замыкания на землю. Распределительная сеть - многофидерная; существует проблема определения поврежденного фидера, в котором произошло однофазное замыкание [1]. Проблема усугубляется в сетях, где фидеры разветвляются, а от первых ветвей могут быть другие ответвления и так далее. В таком случае возникает задача определения участка сети, на котором произошло однофазное замыкание.

Известно техническое решение, позволяющее определять поврежденную линию в электропередаче, связывающей несколько питающих узлов. Предполагается многостороннее наблюдение электропередачи с обменом информацией между местами наблюдения [2].

Развитие техники связи сделало возможным многостороннее наблюдение и в распределительных сетях [3]. Однако решение задачи определения поврежденного участка здесь не может быть таким же простым, как в системах высокого напряжения, работающих в режиме с глухозаземленной нейтралью, где токи и напряжения содержат значительные установившиеся синусоидальные составляющие. Информация о синусоиде лаконична; это всего лишь пара ортогональных компонентов. Иное дело - интенсивные, но кратковременные переходные процессы в распределительных сетях. После затухания переходного процесса остается зачастую настолько слабый установившийся процесс, что его не удается отделить от шумов. Следовательно, определение поврежденного фидера распределительной сети, не говоря уже о локации - определении места замыкания, представляет собой сложную задачу, связанную с обработкой переходных процессов произвольной формы.

Известно техническое решение, делающее возможным определение поврежденного фидера на основе анализа напряжения и токов переходного процесса в каждом из фидеров распределительной сети [4]. В этом способе используются модели фидеров для составляющих нулевой последовательности. Его отличительная особенность - каждый фидер моделируется в неповрежденном состоянии. На такую модель подают зафиксированное напряжение переходного процесса. Определяют реакцию модели - ток нулевой последовательности. Имеет место следующая закономерность. Если протекающие в сети процессы определяются емкостью на землю и собственной индуктивностью каждого фидера, а влияние взаимной индуктивности фидеров незначительно, то соотношение между наблюдаемыми величинами каждого неповрежденного фидера определяется только его собственной нормальной моделью и не зависит от ситуации в поврежденном фидере.

В данном способе остались вне поля зрения глубинные причины обнаруженной закономерности и потому она была использована лишь для решения частной задачи определения поврежденного фидера в неразветвленной распределительной сети. Между тем актуальна более общая задача определения поврежденной ветви (участка) разветвленной сети, например, питающей нефтепромыслы или иные рассредоточенные предприятия добычи сырья.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей известного способа определения поврежденного фидера с таким расчетом, чтобы усовершенствованный способ стал пригоден для определения того участка разветвленной сети, на котором произошло замыкание на землю. Дополнительная цель - упрощение операции распознавания поврежденной части сети. Если в прототипе используется критерий невязки наблюдаемого и моделируемого процессов, то в предлагаемом способе ставится цель проводить распознавание поврежденной части по простейшему критерию формирования сигнала нулевого уровня вне зависимости от размера и характера поврежденной части.

Поставленная цель достигается тем, что разветвленная сеть наблюдается на входах и выходах, и хотя в промежуточных точках - узлах сети - наблюдение не предполагается, информации оказывается достаточно для выявления поврежденного участка, где бы он ни находился. Разумеется, решение задачи стало возможным благодаря обнаружению особых информационных составляющих электрических величин. Как и в прототипе, используется модель контролируемой сети, в данном случае разветвленной; моделируется неповрежденная сеть. Из наблюдаемых величин сначала выделяют обычные информационные составляющие - нулевой последовательности или безнулевые аварийные слагаемые. Для тех или других информационных составляющих компонуют двухпроводную модель сети в неповрежденном состоянии. Так же, как и в прототипе, подают на модель сети источники наблюдаемых напряжений в тех местах, где проводилось наблюдение. Определяют реакции модели в виде вторых токов в местах наблюдения. Первые токи - те, что зарегистрированы при наблюдении.

Отличительный признак предлагаемого способа - полномасштабное использование новых информационных составляющих, называемых здесь третьими токами и представляющими собой разности между первыми и вторыми токами в местах наблюдения сети. Установлено, что третьи токи, которые можно назвать особыми аварийными составляющими наблюдаемых токов, создаются единственным источником - неизвестным током замыкания на землю. Место замыкания, как и поврежденный участок сети, тоже неизвестно. Поиск поврежденного участка проводится на основе критерия, вытекающего из свойства третьих токов обходить стороной модель неповрежденной части сети. Сущность изобретения заключается в таких преобразованиях модели сети и наблюдаемых величин, которые позволяют контролировать уровни третьих токов в ветвях, отходящих от любого узла модели. Применяется новый способ преобразования модели, который можно назвать способом перемещения шунта. Всякий раз, когда шунт, перемещаясь от входа модели к одному из выходов, попадает на очередной узел, из всех неповрежденных ветвей этого узла устраняются третьи токи, и лишь в той ветви, которая сама повреждена либо ведет к месту повреждения, обнаруживается третий ток ненулевого уровня. Разумеется, недостаточно знать путь, ведущий к месту повреждения. Надлежит вычленить из общего направления истинно поврежденный участок. Именно по этой причине приходится наблюдать сеть не только на входе, но и на выходах. Если на своем пути к очередному узлу шунт перейдет через место замыкания, то на всех выходах ветвей, идущих от этого узла, обнаружатся ненулевые третьи токи, что прямо указывает на повреждение ветви, по которой перемещался шунт.

На фиг. 1 приведена структурная схема наблюдаемой распределительной сети; на фиг. 2 - модель сети в нормальном состоянии, но с источниками, воспроизводящими наблюдаемые напряжения; на фиг. 3 - модель в особом аварийном режиме, создаваемом источником замыкания при зашунтированных входах и выходах; на фиг. 4 - иллюстрация преобразования, совершаемого в начале следующего этапа поиска поврежденной ветви; на фиг. 5 - укороченная модель сети без тех ее частей, которые на предыдущем этапе преобразований были признаны неповрежденными; на фиг. 6 - укороченная модель сети в нормальном состоянии, активируемая единственным источником, воспроизводящим напряжение, сформированное в начале данного этапа; на фиг. 7 - укороченная модель сети в особом аварийном режиме; на фиг. 8 - иллюстрация начальной операции очередного этапа поиска поврежденной ветви; на фиг. 9 - модель сети после очередного укорочения; на фиг. 10 - эта модель в нормальном состоянии; на фиг. 11 - она же в особом аварийном режиме и на фиг. 12 - модель выявленного поврежденного участка, предназначенная для поиска места повреждения.

Контролируемая распределительная сеть включает в себя подстанцию 1, питающую общие шины 2, показанные в однолинейном варианте. От общих шин отходят фидеры 3-5. Фидеры разветвляются. Подробно показано ветвление фидера 3, потому что на его направлении произошло замыкание. Без ущерба для потребителя предполагается, что от фидера 3 отходят ветви 6 и 7, а от каждой ветви - еще по три ответвления: 8-10 от ветви 6 и 11-13 от ветви 7. В структуру фидеров с их ветвями и ответвлениями входят узлы 14-16. Местам наблюдения присвоены индексы a, b, c, d, е, первые три - на входах фидеров 3-5, последние - на выходах ответвлений 8-13 от ветвей 6, 7 фидера 3. Выходам ответвлений присвоены свои номера: d1, d2, d3 - выходы ответвлений 8-10; e1, e2, е3 - ответвлений 11-13. На шинах 2 наблюдается напряжение, общее для всех фидеров 3-5. Кроме того, на входах фидеров наблюдаются токи i a ( 1 ) , i b ( 1 ) , i c ( 1 ) , где верхние индексы указывают тип тока, индекс (1) говорит о том, что это исходный ток на предстоящем этапе преобразования модели. Для краткости будем исходные токи каждого этапа преобразования называть первыми токами. На выходах ответвлений 8-13 наблюдаются i d1 ( 1 ,0 ) , i d2 ( 1 ,0 ) , i d3 ( 1 ,0 ) , i e1 ( 1 ,0 ) , i e2 ( 1 ,0 ) , i e3 ( 1 ,0 ) , где второй верхний индекс указывает этап преобразования модели сети. Нулевой индекс соответствует начальному этапу. На каждом последующем этапе модель становится короче, пока не сократится до размера поврежденного участка. Всего для преобразования рассматриваемой сети потребуется три этапа - начальный (нулевой), первый и заключительный второй. В сети по фиг. 1 имеет место замыкание на землю в ответвлении 8; замыкание произошло вместе с координатой x_f. Замыкание сопровождается током i_f. Ни поврежденный участок сети, ни место x_f и ток i_f наблюдателю не известны. Стоит задача выявить поврежденный участок и подготовить модель к определению места повреждения.

На фиг. 2 в нормальную, т.е. неповрежденную, модель сети включены источники напряжений (ЭДС) 17-23, каждый из которых повторяет напряжение, наблюдавшееся в соответствующем месте. Модель с нулевыми начальными условиями однозначно реагирует на действие источников 17-23 вторыми токами i a ( 2 ) , i b ( 2 ) , i c ( 2 ) , i d1 ( 2 ,0 ) , i d2 ( 2 ,0 ) , i d3 ( 2 ,0 ) , i e1 ( 2 ,0 ) , i e2 ( 2 ,0 ) , i e3 ( 2 ,0 ) . Входные токи i_a, i_b, i_c не нуждаются в указании этапа преобразований, так как свою роль они выполняют только на одном, а именно на начальном этапе. Третьи токи - разности между первыми и вторыми

Они представляют собой результат распределения тока единственного не присутствовавшего в модели по фиг. 2 источника i_f. Вместо ЭДС модели по фиг. 2 в модели по фиг. 3 устанавливают шунты 24-30.

Шунт 24 на шинах 2 лишает тока неповрежденные фидеры 4 и 5 -

вследствие чего фидеры 4 и 5 перестают оказывать какое-либо влияние на распределение тока i_f и появляется возможность устранить их из модели, произведя первое ее укорочение.

Вход фидера 3 тоже зашунтирован, но в нем протекает ток i a ( 3 ) , поступающий из поврежденной части сети - из какой, неизвестно. Однако становится понятной последовательность, в которой следует преобразовывать модель. Ток i a ( 3 ) определяет состояние узла 14, так как напряжение u_de этого узла и подтекающий к нему ток i de ( 1 ) при зашунтированном входе фидера 3 зависят только от входного тока i a ( 3 ) .

Обозначение i de ( 1 ) говорит о том, что, во-первых, этот ток имеет отношение к ветвям 6 и 7, от которых идут ответвления с индексами d и е. А во-вторых, что на следующем этапе преобразования модели этому току отводится такая же роль, какую на начальном этапе сыграли наблюдаемые токи . В следующий этап модель сети входит не только без фидеров 4 и 5, но и без фидера 3 (фиг. 5). Шунты 25-30 остаются на своих местах, место действия тока i_f и он сам по-прежнему не известны, зато известны квазинаблюдаемые величины i de ( 1 ) и u_de, а еще третьи токи в выходных шунтах 25-30 , на значение которых укорочение модели не повлияло. На следующем этапе преобразований этим токам отводится та же роль, которую играли наблюдаемые токи на выходе модели по фиг. 1. Поэтому для них теперь вводятся новые обозначения

где первый верхний индекс говорит о типе тока, а второй является номером этапа.

Напряжение u_de на этом очередном этапе - единственное известное напряжение модели. Именно оно определяет ЭДС 31, создающую в нормальной, хотя и укороченной модели сети режим вторых токов (фиг. 6). Режим третьих токов, определяемых как

имеет место в модели, где источник 31 заменен шунтом 32, а модель активируется током повреждения i_f (фиг. 7). В этой модели наблюдается то же самое явление, которое произошло с фидерами 4, 5 в модели третьих токов по фиг. 3. В последнем случае шунтирование узла 14 приводит к тому, что лишаются путей протекания токов ветвь 7 и ответвления 11-13:

В результате модель еще более локализуется относительно поврежденного участка. Коль скоро становится известно, что весь ток устремляется в ветвь 6, появляется возможность определить напряжение u_dd узла 15 и подходящий к нему ток (фиг. 8).

К следующему этапу (со вторым номером) модель сети подходит еще более укороченной без ветвей 6, 7 и ответвлений 11-13 (фиг. 9). Токи переобозначаются по принятой форме

т.е. третьи выходные токи первого этапа преобразования модели на втором этапе начинают выполнять роль первых квазинаблюдаемых токов. Вторые токи нового этапа определяются реакцией нормальной модели сети, укороченной до трех ответвлений 8-10 (фиг. 10), на действие источника u_dd. Реакциями будут четыре тока - входной ток i d d ( 2 ) и выходные i d ν ( 2,2 ) . Далее следует очередной переход к особому аварийному режиму с очередными третьими токами

которые протекают в модели с шунтом 34 вместо ЭДС 33 и единственным источником i_j (фиг. 11). Все неповрежденные ответвления 9, 10 в этой модели оказываются зашунтированными с обеих сторон, вследствие чего они оказываются обесточенными

После изъятия обесточенных ветвей 9, 10 в модели сети остается единственный участок (фиг. 12), что решает поставленную задачу поиска поврежденного участка. Его модель 8 полностью подготовлена для решения очередной задачи - определения координаты x_f: на входе и выходе установлены шунты 34 и 25, в которых протекают известные токи и

Предлагаемый способ включает в себя несколько однотипных операций, совершаемых в определенной последовательности. Им предшествуют подготовительные операции фиксации токов и напряжений, наблюдаемых на входах и выходах сети. В сети по фиг. 1 наблюдаются напряжение u на шинах 2 подстанции 1, токи на входах фидеров 3-5, напряжения u_dν, u_eν и токи на входах сети. Наблюдаемые величины фиксируются в цифровой форме и сохраняются в памяти микропроцессорной системы релейной защиты. Из зафиксированных величин выделяют информационные составляющие - величины нулевой последовательности i₀, u₀ или фазные безнулевые компоненты аварийных составляющих

σ=А, В, С - обозначение фазы, индексы «пд» и «тк» обозначают величины режимов - предшествовавшего замыканию и наступившего после замыкания. Верхний крышеобразный символ отмечает величины предшествующего режима, экстраполированные на время после замыкания. Индексы «0», σ, «ав» далее опускаются и все величины, указанные на фиг. 1-12, представляют свои информационные составляющие.

В распоряжении микропроцессорной системы релейной защиты имеется двухпроводная модель сети, представленная в базисе информационных составляющих с пассивными параметрами нулевой или прямой последовательности соответственно для величин i₀, u₀ или i σ , а в ' , u σ , а в ' .

Ключевая идея предлагаемого способа заключается в разделении информационной составляющей тока на два компонента. Информационная составляющая - первый ток i⁽¹⁾, ее компоненты i⁽²⁾ и i⁽³⁾. При поиске повреждения используется информация, доставляемая компонентом i⁽³⁾. Его определяют как разность (1) после предварительного определения токов i⁽¹⁾ и i⁽²⁾.

На начальном этапе работы системы релейной защиты напряжения и первые токи дают наблюдение реальной сети (фиг. 1). Далее выполняют операции с моделью сети. Модель неповрежденной сети имеется в распоряжении релейной защиты. Чтобы получить вторые компоненты токов i^(2,0), в имеющейся модели создают своеобразный режим, воздействуя на нее источниками известных напряжений 17-23 (фиг. 2). Вторые токи фиксируют в точках этой нормальной модели, соответствующих местам наблюдения сети a, b, c, dν, eν. Третьи токи определяют как разности между информационными составляющими наблюдаемых токов и реакциями нормальной модели. Следующая операция - контроль уровня каждого из третьих токов, выявление фидеров с нулевыми токами; в приводимой иллюстрации принято условие (2).

К очередному этапу реализации способа модель упрощают. Подмодели неповрежденных фидеров 4 и 5 отсоединяют, в местах наблюдения устанавливают шунты 24-30 (фиг. 3). На новом этапе делается предположение, что фидер 3 не поврежден. Если на самом деле он поврежден, это обстоятельство выяснится по завершении этапа. Неповрежденный фидер 3 дает возможность определить состояние его выхода - узла 14 (фиг. 4). Выходные ток и напряжение фидера выражают через ток его зашунтированного входа 24 с помощью известных операций [5]

где R_B - волновое сопротивление фидера, R⁰, L⁰, C⁰ - его первичные параметры нулевой или прямой последовательности в зависимости от типа информационных составляющих электрических величин, l - длина фидера 3, τ - время пробега вдоль фидера волны нулевой или соответственно прямой последовательности.

На нынешнем этапе поиска поврежденного участка узел 14 служит входом остающейся модели, на выходах которой сохраняются шунты 25-30 и протекающие в них токи. Предстоит выяснить, где произошло замыкание - в фидере 3 или же в направлении одной из ветвей 6 или 7 (фиг. 5). Всем известным токам модели, входному i de ( 1 ) и выходным получающим свои обозначения согласно равенству (3), придается статус квазинаблюдаемых, т.е. первых токов. Вторые токи определяют в нормальной модели остающейся части сети (фиг. 6). Источником 31, воздействующим на модель, служит единственное известное здесь напряжение u_de. Фиксируемые реакции - токи Главные информационные компоненты - третьи токи - определяют как разности (4)-(6). Модель, в которой они протекают, содержит шунт 32 на месте источника 31 и активизируется неизвестным током i_j. Анализ уровней третьих токов на выходах модели подсказывает, в какой части модели произошло замыкание. Если выходные токи как ответвлений 25-27, так и 28-30 ненулевого уровня, то это говорит о том, что замыкание находится на фидере 3 и гипотеза, на основании которой производились операции (12), (13), неверна. Если же имеет место ситуация, показанная на фиг. 7, то гипотеза была верна и обнаружится признак (7) - нулевой уровень токов в участках 7, 11-13.

К следующему этапу модель упрощают еще больше. Ветвь 7 и ответвления 11-13 отключают, входной ток ветви 6 оказывается равным и на этот раз будет принята гипотеза о том, что ветвь 6 не повреждена. Определение ее выходных величин выполняют с помощью операций, аналогичных (12), (13), но с теми значениями параметров, которые присущи ветви 6 (фиг. 8). На этом последнем этапе модель состоит только из ответвлений 8-10 (фиг. 9). Известно состояние квазинаблюдаемого узла 15 и выходные токи переобозначенные по правилу (8). Модель тестируют в нормальном состоянии источником 33, развивающим напряжение u_dd (фиг. 10). Токи , возникающие в этой модели, позволяют совершить операции (9), (10) и найти третьи токи, протекающие в модели с шунтом 34 на входе и неизменно зашунтированными выходами (фиг. 11). Контролируют уровни выходных токов и судят по ним о поврежденном участке. В первую очередь необходимо проверить справедливость гипотезы о том, что ветвь 6 не повреждена. Если уровни всех выходных токов ненулевые, гипотеза отвергается и поврежденным участком сети признается ветвь 6. Если же выполняется условие (11), говорящее о том, что ненулевой уровень у единственного выходного тока то, наконец, выявляется поврежденный участок 8, что и является целью обсуждаемого способа. Токи на обеих зашунтированных сторонах поврежденного участка известны (фиг. 12), что делает возможным решение последующей задачи определения места повреждения.

Таким образом доказано, что разделение информационных составляющих токов и напряжений на специфические компоненты приводит к регулярному способу выявления поврежденного участка разветвленной распределительной сети. Существенно, что при этом нет каких-либо ограничений, обусловленных характером наблюдаемых процессов.

Источники информации

1. Попов И.Н., Лачугин В.Ф., Соколова Г.В. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Патент РФ №2033623, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.

3. Jen-Hao Teng, Wei-Hao Huang. Automatic and fast faulted line-section location method for distribution systems based on fault indicators. - IEEE Trans, on Power Systems, 2014, V. 29, №4, P. 1653-1662.

4. Патент РФ №2516371, G01R 31/08, 2013.

5. Лямец Ю.Я., Белянин А.А., Воронов П.И. Алгоритмическое моделирование фидера в переходном режиме. - Изв. вузов. Электромеханика, 2013, №5, С. 49-56.

Способ определения поврежденного участка разветвленной распределительной сети, состоящей из фидеров с входами, подключенными к общим шинам, и ответвлений, выходы которых подключены к нагрузкам, при наблюдении токов и напряжений на входах и выходах сети с использованием модели сети в нормальном состоянии, согласно которому выделяют информационные составляющие токов и напряжений, составляют нормальную двухпроводную модель сети для информационных составляющих, фиксируют первые токи как информационные составляющие наблюдаемых токов, подают на входы и выходы нормальной модели сети наблюдаемые напряжения и определяют ее реакции на всех входах и выходах в виде вторых токов, отличающийся тем, что определяют третьи токи как разности между соответствующими первыми и вторыми токами, контролируют уровни третьих токов на питающих входах фидеров распределительной сети, выявляют фидер с ненулевым уровнем третьего тока, при том что другие фидеры имеют нулевой уровень, и констатируют замыкание в выявленном фидере или в его ответвлениях, шунтируют все входы модели упомянутого фидера и его ответвлений, переносят питающий вход зашунтированной модели в ближайший узел, для чего преобразуют третий ток фидера в напряжение узла и подходящий к узлу ток, тем самым укорачивая модель на длину фидера, принимают подходящий к узлу ток и токи в зашунтированных выходах в качестве первых токов укороченной модели, подают на вход укороченной нормальной модели сети напряжение узла, определяют реакцию этой модели на зашунтированных выходах в виде вторых токов, находят третьи токи как разности между первыми и вторыми токами, контролируют уровни третьих токов, и в том случае, если все выходные третьи токи имеют ненулевой уровень, констатируют замыкание в фидере, а в том случае, если третьи токи одного из ответвлений имеют ненулевой уровень, а остальных - нулевой, констатируют замыкание в ответвлении с ненулевыми уровнями третьих токов и повторяют указанные операции до тех пор, пока модель сети не будет сведена к одному поврежденному участку.