Способ дистанционной защиты линии электропередачи

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам защиты линий электропередачи (ЛЭП), основанным на дистанционном принципе. Технический результат: повышение устойчивости функционирования дистанционной защиты. Сущность: измеряют активное и реактивное сопротивления до места короткого замыкания по аварийным значениям тока, напряжения и угла сдвига между ними в момент возникновения повреждения. Определяют расстояние между местом установки защиты и местом короткого замыкания на основе взвешенного усреднения оценок расстояния, получаемых из измерений активного и реактивного сопротивлений. Сравнивают полученные результаты с уставками, учитывающими искажающие измерения факторы. Изменение параметров режима линии фиксируют по изменениям значения и знака расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам защиты линий электропередачи (ЛЭП), основанным на дистанционном принципе.

В известных дистанционных защитах ЛЭП используются реле сопротивления, реагирующие на величину полного сопротивления участка линии Z, реактивного сопротивления X или активного R [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998, стр.362]. Измеренное сопротивление в каждой фазе линии от места установки реле защиты до места короткого замыкания Z_pk пропорционально длине этого участка l_pk, так как Z_pk=Z_y·l_pk, где Z_y - удельное сопротивление линии. Реле контролирует напряжение, ток и угол между ними, а также измеряет сопротивление

Z_p=U_p/I_p.

При срабатывании пускового реле защиты в момент возникновения короткого замыкания защита действует на отключение ЛЭП при условии, если заданная уставка срабатывания реле Z_cp>Z_p, где Z_cp=0,85·Z_л, Z_л - комплексное сопротивление защищаемой линии [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998, стр.363].

При технической реализации дистанционных защит от сравнения комплексных величин сопротивлений переходят к амплитудному или фазному сравнению [например, Циглер Г. Цифровая дистанционная защита: принципы и применение. - Пер. с англ. Под ред. Дьякова А.Ф. - М.: Энергоатомиздат, 2005, стр.21-24], а также сравнению измеренных активных R_p и реактивных X_p сопротивлений. Следует отметить, что существует однозначная взаимная связь расчетов амплитуд и фаз φ_p комплексных сопротивлений с их активными R_p и реактивными X_p сопротивлениями

Поэтому ошибки измерения активного (R_p) и реактивного (Х_р) сопротивлений являются единственными источниками ошибок оценки амплитуды и фазы φ_p комплексного сопротивления (Z_p) при реализации способов дистанционной защиты на средствах вычислительной техники. Т.е., пересчетные формулы (1) не вносят дополнительных ошибок.

Возможен учет разбросов измеренных активного и реактивного сопротивлений ЛЭП из-за неточностей измерений, вызванных мешающими факторами при формировании способов дистанционной защиты. Например, известный способ [патент US 4906937, Method and a device for fault location in the event of fault on power transmission line, G01R 31/08, 06.03.1990] реализован с учетом принятия решения при изменениях активного сопротивления в заданном диапазоне (в условиях неизвестного сопротивления повреждения).

Недостатком известных способов дистанционной защиты линий электропередачи является низкая устойчивость функционирования.

Под устойчивостью функционирования следует понимать способность дистанционной защиты выполнять свои основные функции в реальных условиях при воздействии ряда факторов, ухудшающих ее качественные показатели [Шнеерсон Э.М. Динамика сложных измерительных органов релейной защиты. - М.: Энергоатомиздат, 1981, стр.8].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ дистанционной защиты линии электропередачи [патент РФ 2285992, Способ дистанционной защиты линии электропередачи, H02H 3/40, G01R 31/8, опубл. 20.10.2006, БИ №29] при коротком замыкании путем измерения сопротивления до места короткого замыкания по аварийным значениям тока, напряжения и угла сдвига между ними в момент возникновения повреждения и сравнения его с заданной уставкой срабатывания, в момент возникновения короткого замыкания одновременно измеряют двумя дистанционными органами значения сопротивлений - активного и реактивного, сравнивают их с соответствующими заданными уставками срабатывания и дополнительно с уставками, учитывающими искажающие измерения факторы и, если значения замеренных сопротивлений обоих дистанционных органов меньше уставок срабатывания или только одного дистанционного органа, а второго меньше дополнительной уставки, производят отключение линии электропередачи, а при отсутствии этих условий в момент короткого замыкания или плавном изменении параметров режима работы линии блокируют действие защиты до возврата защиты при восстановлении нормального режима работы линии электропередачи.

Способ-прототип учитывает влияние следующих факторов, искажающих замеры расстояния до места короткого замыкания:

- переходных активных сопротивлений R_n (в месте повреждения) электрической дуги и элементов, через которые произошло короткое замыкание (земли, деревьев и др.);

- реактивные сопротивления взаимоиндукции X_ом между параллельными ЛЭП, через которые в поврежденной ЛЭП наводится напряжение при коротком замыкании от тока нулевой последовательности, протекающего по параллельной неповрежденной линии.

Для этого в способе-прототипе предлагаются одновременные измерения двух сопротивлений - активного и реактивного в момент пуска защиты при возникновении короткого замыкания. В случае срабатывания только одного из измерительных дистанционных органов при значении измеренного сопротивления меньше его уставки срабатывания защита отключает линию при условии, если измеренное сопротивление второго дистанционного органа меньше сопротивления линии (или увеличенного с учетом нормативного коэффициента чувствительности К_ч=1.2) по алгоритмам

R_p<R_cp и X_p<X_л (1.2X_л);

Х_р<Х_ср и R_p<R_n (1.2R_л).

При невыполнении этих условий в первый момент пуска защита продолжает контролировать параметры аномального режима до ее возврата при восстановлении нормального режима работы ЛЭП или действует на отключение ЛЭП при срабатывании второго дистанционного органа при скачкообразном изменении аварийных параметров из-за возникновения повреждения на защищаемой линии до окончания процесса отключения внешнего короткого замыкания.

Исходя из принципа функционирования способа-прототипа следует, что учет факторов, искажающих замеры расстояния до места короткого замыкания, обеспечивается введением зоны дополнительного измерения и логического ее объединения с зоной срабатывания в процессе сравнения измеренных активного и реактивного сопротивлений с уставками.

Таким образом, информация об искажающих факторах в способе-прототипе учитывается путем объединения результатов сравнений замеров активного и реактивного сопротивлений с уставками, т.е на логическом уровне.

В процессе объединения результаты сравнения учитываются булевыми переменными, принимающими всего лишь два возможных значения: ноль и единица.

Такое объединение информации, заключенной в результатах замера (измерений) активного и реактивного сопротивления, является не полным. Использование не полной информации измерений активного и реактивного сопротивлений в условиях искажающих факторов не обеспечивает требуемой устойчивости функционирования дистанционной защиты.

Более полного использования информации об измеренных активном и реактивном сопротивлениях в способе дистанционной защиты линии электропередачи можно достичь, если объединение информации осуществляется не на этапе сравнения сопротивлений с уставками (т.е. логическое), а производится объединение оценок одной и той же величины, но полученной по результатам разных замеров. В качестве такой величины выступает расстояние между местом установки защиты и местом короткого замыкания. Указанное расстояние может быть определено по результатам измерения как активного сопротивления, так и реактивного. Целесообразно объединить оценки расстояния, полученные как с использованием активного, так и реактивного сопротивления, для получения более точного результата и обеспечения требуемой устойчивости функционирования в условиях искажающих факторов.

Например, при нормальном распределении ошибок измерения расстояния, полученного из измерений и активного, и реактивного сопротивлений, целесообразно реализовать процедуру формирования результирующей оценки расстояния на основе взвешенного усреднения. Принятие нормального закона распределения ошибок математически оправдано, т.к. на процесс измерения сопротивления (и активного, и реактивного) оказывает влияние множество факторов, и сочетается с подходом, изложенным, например, в [Фабрикант В.Л. Дистанционная защита: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1987, стр.31-32]. Объединение оценок расстояния в случае независимых измерений (некоррелированных оценок) можно реализовать согласно методике [например, Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, стр.196-197]. При этом результирующая оценка формируется согласно выражению

где l_R и l_x - оценки расстояния по результатам измерений активного и реактивного сопротивлений;

и - дисперсии оценок расстояния по результатам измерений активного и реактивного сопротивлений.

Отметим, что общая точность измерений повышается, т.к уменьшается дисперсия результирующей оценки расстояния, определяемая формулой

.

Пример объединения результатов измерений, соответствующих удаленному концу ЛЭП, приведен на фиг.1. На фиг.1 приведены плотности вероятностей распределения p_R(l), p_x(l) оценок расстояния, соответствующие измерениям активного и реактивного сопротивлений, а также плотность вероятности p_рез(l) результирующей оценки расстояния.

Результирующая оценка расстояния l_рез располагается между оценками l_R и l_X, характеризующими замеры активного и реактивного сопротивлений, а ее дисперсия меньше дисперсий и . Из анализа фиг.1 следует, что

процедура объединения информации способствует повышению точности оценок расстояния при дистанционных измерениях.

Заметим, что выбор коэффициентов при взвешенном усреднении согласно (2) может быть реализован, например, по результатам статистической обработки данных имитационного моделирования [например, Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. - М.: Высшая школа, 1988], а так же по результатам обработки данных аварийных отключений ЛЭП и сопоставленных с ними расчетов расстояния до места замыкания на основе замеров активного и реактивного сопротивлений.

Аналогичная процедура взвешенного усреднения оценок расстояния может быть реализована при использовании оценок амплитуды и фазы замеров комплексного сопротивления. Однако однозначная связь измерений активного и реактивного сопротивлений с амплитудой и фазой, обусловленная выражением (1), не приводит к приращению информации и не вводит дополнительного источника повышения точности измерений расстояния до повреждения.

Поскольку в процессе совершенствования способа-прототипа путем объединения информации по замерам активного и реактивного сопротивлений (амплитуды и фазы) дистанционный принцип сведен к оценке расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания, то именно это расстояние сравнивают с уставочным значением. В качестве уставочного значения может быть выбрана длина ЛЭП, умноженная на определенный коэффициент, т.е. использован традиционный принцип выбора уставок дистанционной защиты [например, Фабрикант В.Л. Дистанционная защита. - М.: Высшая школа, 1978. стр.20-21].

Более сложная процедура определения коэффициентов при взвешенном усреднении реализуется в случае коррелированности ошибок измерения активного и реактивного сопротивлений. При этом целесообразно воспользоваться корреляционной матрицей ошибок измерения и методом выбора весовых коэффициентов, изложенном, например, в [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, стр.207-209]. Отметим, что коррелированность ошибок измерения активного и реактивного сопротивлений защиты может возникнуть при воздействии одних и тех же помех на измерительные органы активного и реактивного сопротивления.

Заметим, что результирующая оценка расстояния от места установки защиты до места короткого замыкания может использоваться при определении места повреждения (ОМП) ЛЭП.

Недостатком способа-прототипа дистанционной защиты линии электропередачи является низкая устойчивость функционирования, поскольку информация об искажающих факторах, сопровождающих и дистанционные измерения активного и реактивного сопротивлений, учитывается лишь на уровне логических операций.

Задача изобретения - повышение устойчивости функционирования дистанционной защиты.

Поставленная задача достигается способом дистанционной защиты линии электропередачи при коротком замыкании, заключающимся в том, что измеряют активное и реактивное сопротивления до места короткого замыкания по аварийным значениям тока, напряжения и угла сдвига между ними в момент возникновения повреждения, используют полученные результаты при сравнении с уставками, учитывающими искажающие измерения факторы, а при плавном изменении параметров режима работы линии блокируют действие защиты до возврата защиты при восстановлении нормального режима работы линии электропередачи, в котором, согласно предложению, с уставками сравнивают расстояние между местом установки защиты и местом короткого замыкания, определяемое на основе взвешенного усреднения оценок расстояния, получаемых из измерений активного и реактивного сопротивлений, а изменение параметров режима линии фиксируют по изменениям значения и знака расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания.

Как и способ-прототип предлагаемый способ дистанционной защиты линии электропередачи может быть реализован на микропроцессорной технике.

В частности, в качестве реализующего устройства может быть выбрано устройство цифровой дистанционной защиты (фиг.2) [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.42], включающее промежуточные трансформаторы тока 1; промежуточные трансформаторы напряжения 2; аналоговые фильтры низких частот 3; коммутатор сигналов 4; аналого-цифровой преобразователь 5; вычислительное устройство 6, содержащее блоки ввода 7 и вывода 8 дискретной информации, цифровой процессор 9, блок памяти 10.

Способ реализуется следующим образом.

Перед выключением устройства производится имитационное моделирование ЛЭП, с учетом искажающих факторов, сопровождающееся измерением активного и реактивного сопротивлений, а также последующей статистической обработкой результатов. Итогом имитационного моделирования и статистической обработки результатов является формирование распределений (фиг.1), а также определение коэффициентов (например, на основе дисперсий), необходимых для расчетного выражения (2). Указанные коэффициенты в последующем используются для получения окончательной оценки расстояния (дистанции).

Входная информация цифрового устройства релейной защиты определяется аналоговыми сигналами U_A-U_O, I_A-I_O, характеризующими режим электроэнергетической системы в точке A установки защиты, по переменному напряжению и току, и логическими сигналами x₁-x_к, подводимыми к блоку 7 ввода вычислительного устройства 6.

Сигналы x₁-х_к разделяются на группы, воздействуя на различные узлы блока 7, и вводятся обслуживающим персоналом или автоматически. По средством таких сигналов в память устройства (блок 10) вводятся коэффициенты, участвующие в формировании результирующей оценки расстояния (дистанции), а также удельные значения активного и реактивного сопротивлений и уставки зон.

Сигналы y₁-y_q блока вывода 8 воздействуют на отключающие устройства защитного комплекса, другие устройства релейной защиты, регистратор данных, печатающую аппаратуру. Более подробно с использованием сигналов x₁-x_k, y₁-y_q можно познакомиться [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.41-42].

Аналоговые сигналы от трансформаторов тока ТА и напряжения TV преобразуются промежуточными трансформаторами тока 1, напряжения 2, фильтрами нижних частот 3 и подводятся к коммутатору сигналов 4, обеспечивающему поочередную выборку мгновенных значений величин с выходов отдельных фильтров и их запоминание на время, необходимое для правильной работы АЦП 5. В результате выходные сигналы АЦП 5 соответствуют в цифровом виде дискретным сигналам, промоделированным синусоидальными функциями. Каждому аналоговому сигналу U(t) (I(t)) на выходе аналогового фильтра нижних частот 3 соответствует дискретный сигнал U(nT) (I(nT)) на выходе АЦП 5, вводимый в вычислительное устройство 6, осуществляющее цифровую обработку сигналов, согласно предлагаемому способу дистанционной защиты ЛЭП.

В процессе реализации операций предлагаемого способа дистанционной защиты задействованы цифровой процессор 9 и блок памяти 10. В блоке памяти 10 осуществляется последовательное хранение совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, соответствующих определенному временному интервалу анализа дистанционной защиты. Как правило, временной интервал выбирается равным периоду промышленной частоты (f=50 Гц) и соответствует T_a=20 мс. В течение этого интервала осуществляется выборка мгновенных значений тока и напряжения, количество которых N определяется отношением интервала Та к интервалу дискретизации t (N=T_a/t_д). Операция выборки повторяется периодически с периодом t_д, который определяет дискретность выдачи управляющих сигналов y₁-y_q.

Взаимодействуя с блоком памяти 10, цифровой процессор 9 выполняет операции, требуемые для реализации способа дистанционной защиты:

1. Фильтрацию мгновенных значений токов и напряжений, полученных в интервале T_a, для формирования результирующих комплексных значений фазных токов и напряжений. Для операции фильтрации может быть выбран алгоритм дискретного преобразования Фурье или другие алгоритмы, изложенные, например, в [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.108-128].

2. Получение значений активных и реактивных сопротивлений на основе комплексных величин фазных токов и напряжений (реализация цифровых многофазных дистанционных органов релейной защиты). Осуществление многофазных измерений (дистанционных органов) может выполняться по различным методам, например, [Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: Учеб. пособие для вузов - М.: Энергоатомиздат, 1984, стр.419-425] с последующим взятием реальной (активное) и мнимой (реактивное) составляющих комплексного сопротивления.

3. Определение расстояний от места установки защиты до места короткого замыкания на основе текущих замеров активных и реактивных сопротивлений. Оценки расстояний могут быть получены путем соотношения (деления) замеренных активных и реактивных сопротивлений на удельные активные и реактивные сопротивления, характеризующие конкретную ЛЭП и ее участки.

4. Вычисление результирующих оценок расстояний, соответствующих многофазным дистанционным измерениям, путем взвешенного усреднения оценок расстояния по активным и реактивным сопротивлениям (выражение (2)) с учетом соответствующих коэффициентов.

5. Сравнение результирующих оценок расстояний, соответствующих многофазным измерениям (дистанционным органам защиты, с уставками зон дистанционной защиты). Временные параметры зонного сравнения с уставками обеспечиваются программным способом. Принципы выбора уставок, исходя из расчета расстояния, а также временные параметры обоснованы, например, в [Фабрикант В.Л. Дистанционная защита: Учеб. пособие для вузов - М.: Высш. школа, 1978, стр.19-25]. Результаты сравнения, осуществляемые цифровым процессором 9, преобразуются в выходные сигналы y₁-y_q устройства цифровой релейной защиты, которые должны в том числе обеспечить отключение поврежденного элемента электрической сети.

Режимы качаний и асинхронного хода в электроэнергетических системах характеризуются возможностью нахождения сопротивления, оцениваемого дистанционной защитой, в областях комплексной плоскости сопротивлений, расположенных внутри характеристик срабатывания дистанционных органов. В предлагаемом способе дистанционной защиты это означает нахождение замеров расстояния в области зон срабатывания. Например, для первой зоны соответствие l_рез (фиг.1) менее 0,85·l_л. Указанные обстоятельства без принятия специальных мер будут приводить к неправильным действиям дистанционной защиты.

Существуют различные принципы блокирования дистанционных защит при качаниях, например [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.388-407]. В частности, фиксация качаний и асинхронного хода может быть осуществлена по медленным (плавным) изменениям контролируемого параметра. Как правило, в качестве контролируемого параметра выбирается сопротивление. Однако, как было указано ранее, вся необходимая информация для реализации дистанционной защиты, содержащаяся в замерах сопротивления, может быть получена в результате оценки расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания. Причем знак оценки расстояния будет характеризовать направленность защиты и позволит классифицировать повреждения, возникающие «за спиной». Поэтому от контролируемого изменения во времени сопротивления можно перейти к контролю изменений величины и знака расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания. Именно этот принцип используется в устройстве цифровой дистанционной защиты (фиг.2) для ее блокировки при реализации предлагаемого способа. Однако временные (скоростные) соотношения, связанные с определением плавного изменения контролируемого параметра, сохраняются как в известных способах блокировки дистанционных защит.

Таким образом, на основе текущей информации о входных токах и напряжениях, входных сигналах x₁-x_к вычислительное устройство 6 вырабатывает необходимые решения в соответствии с предлагаемым способом дистанционной защиты ЛЭП, характеризуемые выходными сигналами y₁-y_q.

Следует отметить, что предлагаемый способ дистанционной защиты ЛЭП обеспечивает (как указывалось ранее) большую устойчивость функционирования при воздействии различного рода факторов за счет учета дополнительной информации, извлекаемой из измерений активного и реактивного сопротивлений.

Способ дистанционной защиты линии электропередачи при коротком замыкании, заключающийся в том, что измеряют активное и реактивное сопротивления до места короткого замыкания по аварийным значениям тока, напряжения и угла сдвига между ними в момент возникновения повреждения, используют полученные результаты при сравнении с уставками, учитывающими искажающие измерения факторы, а при плавном изменении параметров режима работы линии блокируют действие защиты до возврата защиты при восстановлении нормального режима работы линии электропередачи, отличающийся тем, что с уставками сравнивают расстояние между местом установки защиты и местом короткого замыкания, определяемое на основе взвешенного усреднения оценок расстояния, получаемых из измерений активного и реактивного сопротивлений, а изменение параметров режима линии фиксируют по изменениям значения и знака расстояния между местом установки защиты и местом короткого замыкания.