Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Тенденции развития методов определения места повреждения (ОМП) воздушных линий электропередачи (ВЛ) 9
1.1 Сравнительная характеристика методов ОМП ВЛ 9
1.2 Современные методы и алгоритмы ОМП ВЛ по параметрам аварийного режима (ПАР) 14
1.2.1 Алгоритмы методов двухстороннего ОМП по ПАР 14
1.2.2 Алгоритмы методов одностороннего ОМП по ПАР 17
1.3 Тенденции развития устройств ОМП ВЛ 23
1.3.1 Фиксирующие измерительные приборы (ФИП) 25
1.3.2 Микропроцессорные фиксирующие индикаторы (МФИ) 26
1.3.3 Цифровые регистраторы аварийных процессов (ЦРАП) 33
1.4 Направления совершенствования методов ОМП ВЛ по ПАР 42
1.5 Концепция разработки программно-аппаратного комплекса ОМП ВЛ повышенной точности 46
1.6 Выводы по первой главе 47
Глава 2 Способы и алгоритмы определения места повреждения ВЛ 50
2.1 Способ и алгоритмы ОМП при поперечной несимметрии 50
2.1.1 Описание алгоритмов ОМП при поперечной несимметрии 50
2.1.2 Тестирование алгоритмов ОМП при поперечной несимметрии 54
2.1.3 Сопоставление методов ОМП при поперечной несимметрии 64
2.2 Способ и алгоритмы ОМП при продольной несимметрии 67
2.2.1 Существующие методы ОМП при продольной несимметрии 67
2.2.2 Описание алгоритмов ОМП при продольной несимметрии 68
2.2.3 Тестирование алгоритмов ОМП при продольной несимметрии 70
2.3 Апробация алгоритмов ОМП на реальных данных 76
2.4 Выводы по второй главе 82
Глава 3 Способ и алгоритмы идентификации погонных параметров ВЛ 82
3.1 Существующие методы уточнения параметров ВЛ 83
3.2 Описание алгоритмов определения погонных параметров ВЛ 89
3.2.1 Алгоритм определения погонных параметров ВЛ через коэффициенты четырехполюсника 90
3.2.2 Алгоритм определения погонных параметров ВЛ через П-образную схему замещения 92
3.3 Тестирование алгоритмов определения погонных параметров ВЛ по результатам регистрации параметров предаварийного режима 95
3.4 Выводы по третьей главе 99
Глава 4 Анализ чувствительности алгоритмов определения погонных параметров по ММЗ к факторам, снижающим их точность 100
4.1 Проявление высших гармоник токов и напряжений ВЛ 101
4.1.1 Анализ чувствительности алгоритмов определения погонных параметров к присутствию совокупности высших гармоник токов и напряжений. 103
4.1.2 Анализ чувствительности алгоритмов определения погонных параметров к показателям высших гармоник токов и напряжений 105
4.1.3 Анализ влияния дискретности регистрации аварийных сигналов на точность определения погонных параметров в условиях несинусоидальности токов и напряжений ВЛ 112
4.1.4 Общий анализ результатов численных экспериментов 117
4.2 Алгоритм определения параметров ВЛ на основе местных скалярных параметров 119
4.2.1 Математические основы алгоритма 119
4.2.2 Тестирование алгоритмов определения погонных параметров ВЛ на основе местных скалярных параметров режима 122
4.2.3 Оценка чувствительности алгоритма определения погонных параметров ВЛ на основе местных скалярных параметров режима к присутствию высших гармонических составляющих в токах и напряжениях 127
4.3 Анализ чувствительности алгоритмов определения погонных параметров ВЛ к погрешностям синхронизации измерений 138
4.4 Выводы по четвертой главе 141
Заключение 143
Список сокращений 146
Список литературы 148
- Цифровые регистраторы аварийных процессов (ЦРАП)
- Существующие методы ОМП при продольной несимметрии
- Тестирование алгоритмов определения погонных параметров ВЛ по результатам регистрации параметров предаварийного режима
- Анализ влияния дискретности регистрации аварийных сигналов на точность определения погонных параметров в условиях несинусоидальности токов и напряжений ВЛ
Цифровые регистраторы аварийных процессов (ЦРАП)
Автоматическая система сбора и обработки информации, выполненная на современной элементной базе с применением цифровой вычислительной техники, имеет достаточно типичную структурную схему [14]. Получение, преобразование и нормирование входных сигналов информационно-измерительной системы обеспечиваются устройствами сопряжения с объектом (УСО). Затем следуют предварительная обработка входных сигналов и их анализ. Результаты анализа полученной информации могут как выводиться на дисплей, так и передаваться в устройство предупредительной сигнализации или воздействовать на процесс путем автоматических переключений и изменений режимов работы контролируемого электроэнергетического объекта.
Цифровые системы обработки информации выполняют дискретизацию входных сигналов для последующей их обработки в компьютере. Компьютер, как центральное звено системы, способен лишь выполнять простейшие команды и операции с числовыми данными в пределах элементарной арифметики. Однако, работая под управлением заранее написанной программы, вычислительное устройство может быстро анализировать получаемую информацию и реализовывать весьма сложные алгоритмы.
В цифровых информационно-измерительных системах данные, получаемые от АЦП, как правило, предварительно обрабатываются специальным сигнальным процессором. В большинстве случаев АЦП является составной частью сигнального процессора. Сигнальный процессор имеет высокое быстродействие и выполняет такие задачи, как цифровая фильтрация и векторизация входных сигналов. Это позволят разгрузить контроллер, выполняющий основные функции.
При рассмотрении цифровых устройств РЗА на первый план выдвигаются не столько схемотехнические вопросы по исполнению аппаратной части, как это было характерно для аналоговых устройств, а преимущественно алгоритмы обработки и анализа сигналов в целях получения достоверной информации.
Можно обратить внимание на то, что цифровые устройства различного назначения имеют практически одинаковую схемотехнику, но выполняют разные функции в зависимости от используемого программного обеспечения, причем аппаратная сложность цифровых устройств в малой степени зависит от сложности решаемой задачи.
К положительным свойствам цифровых защит можно отнести высокую технологичность изготовления по сравнению с их аналоговыми прототипами, возросшие возможности по реализации оптимальных характеристик защит и многое другое. В цифровых устройствах РЗА появилась возможность сохранения в памяти данных о предшествующем режиме работы защищаемого объекта, использования этих данных при анализе текущего режима и для передачи их на верхний уровень - в автоматизированную систему управления (АСУ) энергосистемой. Можно говорить и о новых способах выполнения РЗА, реализация которых вызывала затруднения на аналоговой элементной базе.
Далее рассмотрим несколько примеров ЦРАП.
Регистратор электрических процессов цифровой "Парма РП4.06", выпущенный фирмой ООО "ПАРМА" предназначен для фиксации, хранения и анализа информации о процессах, которые предшествуют и сопутствуют аварийным отклонениям параметров в электрических сетях и машинах, а также контроля состояния устройств, регистрации КЗ и ОМП на ВЛ 35 кВ и выше [8]. Регистратор процессов состоит из блока регистрации и от одного до шести блоков преобразователей аналоговых и дискретных сигналов ПУ-16/32М2 и/или блоков преобразования дискретных сигналов БПД-128, количество которых и комплектация определяется техническим заданием на поставку.
Регистратор "Парма РП4.06" включает следующие функции: «Регистратор», «Самописец», «Измеритель» и «ОМП».
Процедура ОМП предназначена для определения поврежденной линии, вида КЗ и расстояния до места КЗ при авариях на ВЛ напряжением 35кВ и выше.
ОМП проводится автоматически на основе односторонних измерений аварийных значений токов и напряжений. Это накладывает следующие ограничения на использование программы.
1. Переходное сопротивление КЗ считается чисто активным. Используемые в расчетах формулы не используют неизвестное значение переходного сопротивления КЗ, но строго верны лишь при условии, что это сопротивление является линейным и чисто активным. На практике в большинстве случаев это выполняется с удовлетворительной точностью.
2. Использование одностороннего ОМП при наличии ответвлений ограничено. Наличие подпитки со стороны энергосистемы в точке между регистрирующим прибором и местом КЗ приводит к распределению токов, которое невозможно учесть при односторонних измерениях. Все имеющиеся на линии ответвления должны представлять собой тупиковые отпайки. Если место КЗ расположено на самой отпайке, правильный результат ОМП можно ожидать только на линиях с односторонним питанием, и при условии, что регистратор расположен с питающей стороны.
3. Для проведения ОМП необходимо, чтобы прибор регистрировал на контролируемой линии все фазные напряжения и, по крайней мере, три тока из набора Ia, Ib, Ic, 3I0.
4. Для учета взаимоиндукции между параллельными линиями необходимо, чтобы сигналы с этих линий приходили на один регистратор. Учет взаимоиндукции возможен только в том случае, когда токи линий, связанных взаимоиндукцией, регистрируются одним прибором.
5. Описание параметров линии должно соответствовать реальной схеме включения. Параметры линии, необходимые для ОМП, должны быть описаны заранее. ОМП проводится только для режима работы линии, соответствующего этим параметрам. Если схема включения меняется (например, отключается отпайка), необходимо внести соответствующие изменения в описание параметров.
Погрешность процедуры ОМП, обусловленная аппаратурной погрешностью комплекса регистратора, зависит от амплитуд сигналов, поступающих на вход регистратора во время аварии. Если амплитуды входных сигналов составляют не менее 30% от максимально допустимых значений, относительная аппаратурная погрешность ОМП будет не более 6% для одно- и двухфазных КЗ и не более 4% для трехфазных КЗ.
Среди заказчиков Пармы крупные энергетические компании, атомные станции, промышленные предприятия. Данная продукция рекомендована к применению ОДУ Северо-Запада, ОДУ Центра, одобрена электротехническим советом Росэнергоатома.
Существующие методы ОМП при продольной несимметрии
На территории России эксплуатируются ВЛ с неизолированными проводами, которые подвержены одновременным действиям статических и динамических нагрузок. При действии статических нагрузок в проводах и конструктивных элементах ВЛ не возникают добавочные динамические напряжения, в то время как при действии динамических нагрузок появляются усилия, вызывающие колебания проводов, которые могут привести к опасному резонансу, сопровождающемуся резким увеличением механических напряжений.
Опасность воздействия динамических нагрузок на провода зависит от интенсивности и продолжительности колебаний, статических – от массы гололедных отложений и силы ветра, а их совместное действие значительно увеличивает опасность обрывов проводов, поэтому важной задачей линейных ремонтных служб предприятий электрических сетей является быстрое и точное определение места обрыва и организация ремонтно-восстановительных работ.
Следует отметить, что разработке методов определения места короткого замыкания на ВЛ уделяется большое внимание, в то время как идеология обнаружения места обрыва фаз(ы) разработана слабо, а существующие методы обладают рядом недостатков.
Например, в [39] предлагается выявлять место обрыва фазы ВЛ с использованием параметров режима ненагруженной линии, а именно емкостных токов линии путем их измерения в переходном процессе, либо в послеаварийном режиме. Недостатками данного метода являются: многоэтапность; неучет распределенности параметров ВЛ; низкая точность определения места обрыва фазы.
Существует также способ определения поврежденного участка и типа повреждения в электроэнергетической сети с разветвленной топологией, позволяющий определять в том числе и место обрыва на линии. Данный способ заключаючается в мониторинге электрической сети расположенным на питающей сеть подстанции ведущим устройством, осуществляющим предварительный сбор информации о целостности сегментов сети путем опроса ведомых устройств. Однако данный способ позволяет определять не точное место обрыва фазы, а лишь сегмент сети, где обрыв произошел [40].
В рамках данного раздела рассматривается построение алгоритмов определения места повреждения в случаях обрыва одной и двух фаз линии. Данные алгоритмы, так же как и в случае определения места повреждения поперечной несимметрии, базируются на математическом описании режимов линии произвольной протяженности по уравнениям длинных линий в форме гиперболических функций. В качестве исходных данных используются ММЗ токов и напряжений, получаемые при регистрации параметров аварийного режима.
Последовательность вывода расчетного выражения для определения места обрыва фаз линии рассмотрим на примере рисунка 2.10, на котором схематично представлен обрыв на расстоянии l1 от ее начала. В данном случае ток будет протекать по здоровым фазам/фазе в том же направлении, что и в до аварийном режиме.
Рисунок 2.10 Выразим ток в особой фазе в месте обрыва относительно начала и конца линии, используя уравнения длинной линии в форме гиперболических функций:
Как и в алгоритмах определения места КЗ, векторные значения напряжений и токов прямой последовательности фазы А, используемые в формуле (2.25), могут быть найдены из векторных значений токов и
посредством разложения несимметричной тройки векторов FA, Fg, Fc на симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей, по формулам (2.7 - 2.9).
Здесь так же возможны два варианта определения симметричных составляющих токов и напряжений на основе ММЗ. При расчетах первым алгоритмом предварительно осуществляется переход от ММЗ токов и фазных напряжений, зарегистрированных в начале и конце линии во время аварийного режима: iA1(t j) , iB1(t j) , iC1(t j ), iA2(t j), их векторному представлению с использованием обобщенных векторов [37, 38] по формулам (2.12 – 2.14).
Во втором алгоритме вычисление симметричных составляющих токов и напряжений производится непосредственно по ММЗ. Для этого в соответствии с формулой (2.7) осуществляется сдвиг данных в массивах токов и напряжений фаз B и C на углы 120 и 240 градусов, определяемые операторами a, a2 (рисунок 2.2, а, б).
Таким образом, расстояния до места КЗ и до места обрыва фаз линии определяется на основе единого методического подхода. Итоговые расчетные формулы (2.6) и (2.25), естественно, различаются. Различаются и схемы прямой последовательности ВЛ
Алгоритмы определения места обрыва линии, описанные в предыдущем параграфе, апробированы с помощью программного комплекса Mathcad на примере двух одноцепных воздушных линий, протяженностью 600 и 8 км, номинальным напряжением 500 кВ. Мощность в конце линии в обоих случаях составляет S2=250+j105 МВА. Идея экспериментальной проверки алгоритмов аналогична примеру, приведенному в параграфе 2.1.2, и заключается в следующем: определить векторные значения фазных токов и напряжений в начале и в конце линии. Найденные значения токов и напряжений представить в виде ММЗ. Далее с помощью полученных ММЗ по алгоритмам, описанным в предыдущем параграфе, определить место обрыва. Расчеты проводились для обрывов одной и двух фаз на расстоянии 200 и 2 км для линий протяженностью 600 и 8 км соответственно.
Тестирование алгоритмов определения погонных параметров ВЛ по результатам регистрации параметров предаварийного режима
Алгоритмы определения погонных параметров ВЛ, представленные в предыдущем параграфе, были апробированы с помощью программного комплекса Mathcad на примере одноцепной ВЛ номинальным напряжением 500 кВ, протяженностью 600 км, выполненной с расщеплением фазы на три провода марки АС 500/64. Расстояние между центрами расщеплённых фаз по горизонтали D=12 м. Расщеплённые провода расположены по вершинам равностороннего треугольника со стороной a = 40 см, диаметр провода dпр=30,2 мм. Линия питает нагрузку S2=600+j250 МВА. Удельные параметры провода АС 500/64, принятые по [11], приведены в таблице 3.2.
Идея тестирования алгоритмов заключается в следующем: по исходным эталонным параметрам линии определить векторные значения
фазных токов и напряжений в начале и в конце линии для принятого режима. Найденные значения токов и напряжений представить в виде ММЗ. С помощью полученных ММЗ решить обратную задачу: определить погонные параметры рассматриваемой линии, используя алгоритмы расчётов, изложенных в параграфах 3.2.1 и 3.2.2 настоящей главы.
Из таблицы 3.5 видно, что погрешность определения погонных параметров линии близка к нулю. Соответственно, можно утверждать, что процедуры, приведённые в параграфах 3.2.1 и 3.2.2, работоспособны для идентификации погонных параметров линии. Заметим, что данные значения были получены при количестве отсчетов 64, с увеличением же отсчетов будет наблюдаться увеличение точности результатов.
В рамках данной главы разработан способ и два алгоритма идентификации погонных параметров линии электропередачи по параметрам предшествующего аварии режима с целью их использования при ОМП вместо справочных данных.
Основу первого алгоритма составляет использование векторных значений токов и напряжений по концам линии.
В основе второго алгоритма, в отличие от первого, используются скалярные величины.
Результаты апробации разработанных алгоритмов показывают, что они имеют близкую к нулю методическую погрешность за счёт использования в качестве исходных данных массивов мгновенных значений токов и напряжений, измеренных по концам линии с помощью регистраторов аварийных процессов, а также за счет учета пространственной распределенности параметров линии посредством применения уравнений длинной линии.
В следующей главе предлагается произвести оценку чувствительности алгоритмов идентификации определения погонных параметров ВЛ к присутствию высших гармонических составляющих в токах и напряжениях и погрешностям синхронизации.
Анализ влияния дискретности регистрации аварийных сигналов на точность определения погонных параметров в условиях несинусоидальности токов и напряжений ВЛ
Дискретизация по времени аналогового сигнала иллюстрируется на рисунке 4.5 [47]. Выборка непрерывных аналоговых данных осуществляется через интервал дискретизации ts = 1/fs, который важно тщательно подбирать для наиболее точного представления первоначального аналогового сигнала.
Дискретизация аналогового сигнала В настоящее время разработано большое количество разнообразных цифровых устройств, позволяющих регистрировать параметры электрического режима – токи и напряжения. Все они обладают различной частотой дискретизации, например, “Черный ящик” позволяет фиксировать электрические сигналы с частотой - 1200 Гц (24 точки на период), БИМ -1600 Гц (32 точки на период), ABB - 2000 Гц (40 точек на период), Areva -2400 Гц (48 точек на период), PЭС-3 – от 2000 до 8000 Гц (40 – 160) точек на периоде (в зависимости от количества каналов) [48] и др.
Рассмотрим влияние дискретности регистрации аварийных сигналов на точность определения погонных параметров разработанными алгоритмами в условиях несинусоидальности токов и напряжений ВЛ.
В рамках данного эксперимента повторяем порядок проведения эксперимента, описанного в параграфе 4.1.1, но уже для ММЗ токов и напряжений с дискретностью N=24 и 40.
Примеры из эксперимента приведены в таблицах 4.8, 4.9 и на рисунке 4.6.
В результате эксперимента можно отметить, что при определении погонных параметров первым алгоритмом изменение количества отсчетов в рассматриваемой диссертации слабо влияет на погрешность расчета (Таблица 4.8), в то время как при использовании второго алгоритма с увеличением количества отсчетов точность определения погонных параметров значительно увеличивается (Таблица 4.9, рисунок 4.6). При этом во всех рассматриваемых случаях погрешности расчета вторым алгоритмом остаются значительно более низкими по сравнению с результатами расчета первым алгоритмом.
Таким образом, графики на рисунке 4.6 показывают, что с увеличением количества отсчетов точность определения погонных параметров линии вторым алгоритмом растет, что является следствием более полного отображения информации о функциях изменения токов и напряжений в составе ММЗ.
При общем анализе содержания таблиц 4.14.7 и, соответственно, графиков на рисунках 4.14.4 обнаруживается, что второй алгоритм определения погонных параметров линии существенно менее чувствителен к присутствию высших гармонических составляющих в сигналах по сравнению с первым алгоритмом. Возникает вопрос о причинах такого различия.
Сопоставление первого и второго алгоритмов показывает, что в первом алгоритме алгоритм определения обобщенных постоянных четырехполюсника, моделирующего линию, базируется на использовании векторных значений токов и напряжения (выражения 3.183.20), в то время, как во втором алгоритме эти постоянные вычисляются через параметры эквивалентной П-образной схемы замещения (выражение 3.38), которые, в свою очередь, определяются с использованием скалярных величин: потоков мощности и действующих значений токов и напряжений (выражения 3.27, 3.37). Скалярные параметры, очевидно, менее чувствительны к присутствию высших гармонических составляющих в токах и напряжениях, что и приводит к более высокой точности определения погонных параметров линии.
Следует также отметить, что в алгоритме второго алгоритма активно используются вычисляемые по ММЗ взаимные режимные параметры. При определении параметров поперечной ветви П-образной схемы замещения по выражению (3.27) используются действующие значения формальной векторной разности токов по концам линии, взаимная активная и реактивная мощности, определяемые через формальную векторную сумму напряжений и формальную векторную разность токов.
В работе [51] мощности такого типа называются квазимощностями. При вычислении продольного сопротивления по выражению (3.37) используется определяемое по ММЗ падение напряжения в линии.
Широкое использование определяемых по ММЗ взаимных параметров предполагает высокое качество синхронизации массивов, получаемых на разных концах линии. Как известно, работы по оснащению энергосистем высококачественными спутниковыми системами синхронизации измерений находятся в нашей стране в начальной стадии развития. Перспективы оснащения всех линий электропередачи напряжением 110, 220 кВ такими системами также невысоки. Одно из возможных направлений работ по снижению влияния погрешностей взаимной синхронизации на точность определения погонных параметров линий является разработка алгоритмов, не использующих определяемые по ММЗ взаимные параметры, и соответственно, малочувствительные к погрешностям ММЗ, регистрируемых на разных концах линии.
Рассмотрим один из возможных алгоритмов определения погонных параметров, в которых используются только местные скалярные параметры режима по концам линии.
