Содержание к диссертации
Введение
1 Дистанционные методы ОМП 14
1.1 Классификация дистанционных методов ОМП 14
1.2 Импульсные методы 16
1.2.1 Распространение импульсных сигналов по системам с распределёнными параметрами 16
1.2.2 Локационный метод 18
1.2.3 Волновой метод 20
1.3 Методы по параметрам аварийного режима 21
1.3.1 Общие сведения 21
1.3.2 Явные методы ОМП 23
1.3.3 Неявные методы ОМП 29
Выводы по главе 31
2 Неявные методы ОМП 33
2.1 Определение и задачи моделирования 33
2.1.1 Имитационная модель 33
2.1.2 Алгоритмическая модель 34
2.2 Базисы моделирования 39
2.2.1 Базис симметричных составляющих 39
2.2.1.1 Принцип моделирования 39
2.2.1.2 Топологический метод расчёта модели 41
2.2.1.3 Имитационное моделирование
2.2.1.4 Алгоритмическое моделирование 44
2.2.2 Базис фазных координат 45
2.2.2.1 Принцип моделирования 45
2.2.2.2 Метод каскадного эквивалентирования 46
2.2.2.3 Имитационное моделирование 48
2.2.2.4 Алгоритмическое моделирование 49
2.3 Одно- и двухсторонний способы ОМП 51
2.4 Многостороннее ОМП 54
2.4.1 Недостатки одно- и двухстороннего методов 54
2.4.2 Идентификация повреждённого участка 58
2.4.3 ОМП в трёхлучевых схемах 61
2.4.4 Синхронизация замеров 63
2.4.5 Общий случай многостороннего ОМП 65
2.4.6 Пример многостороннего ОМП 67
2.5 ОМП на линиях ответвительных подстанций 73
2.5.1 Недостатки одно- и двухстороннего методов 73
2.5.2 Идентификация повреждённого участка 75
2.5.3 Пример ОМП на линиях ответвительных подстанций 79
2.6 Адекватность алгоритмических моделей 83
Выводы по главе 84
3 Моделирование линий электропередачи 86
3.1 Этапы построения модели 86
3.2 Методика построения моделей 90
3.2.1 Элементы модели
3.2.2 Разбиение линии на участки однородности 90
3.2.3 Моделирование основной ЛЭП 95
3.2.4 Моделирование параллельных линий 97
3.2.5 Системы и обходная связь 99
3.2.6 Моделирование ответвительных подстанций 100
3.2.7 Моделирование шунтирующих реакторов 100
3.2.8 Расчёт модели 100
3.3 Учёт реальной несимметрии ЛЭП 101
3.3.1 Сравнение базисов моделирования 101
3.3.2 Корректирующие коэффициенты 103
3.3.3 Причины методической погрешности 106
3.4 Программа FPDEdit 109
Выводы по главе 112
4 Реализация методов ОМП 114
4.1 Аппаратные и программные средства ОМП 114
4.2 Реализация дистанционного ОМП 117
4.2.1 Алгоритм одностороннего ОМП 118
4.2.2 Алгоритм двухстороннего ОМП 119
4.3 Программный комплекс WinBres 120
4.3.1 Общие сведения 120
4.3.2 Диспетчерский вариант ОМП 123
4.3.3 Многостороннее ОМП 126
4.3.4 Статистика ОМП 127
4.4 Аппаратный комплекс «Бреслер-0107.ОМП» 129
4.4.1 Общие сведения 129
4.4.2 Технические характеристики терминала 131
4.4.3 Логика пуска функции ОМП 132
4.4.4 Организация функции ОМП 134
4.5 Конфигурирование средств ОМП 137
Выводы по главе 138
Заключение 140
Список литературы
- Локационный метод
- Алгоритмическое моделирование
- Разбиение линии на участки однородности
- Аппаратный комплекс «Бреслер-0107.ОМП»
Локационный метод
Методы по ПАР появились ещё в середине прошлого века, и в первых средствах реализовывались довольно простые алгоритмы, оперирующие лишь модулями напряжений и токов и определяющие по ним параметры петли замыкания. Электромеханическая и микроэлектронная базы не позволяли в полной мере реализовывать те или иные идеи. Исследования и разработка импульсных способов также началась ещё в XX веке, но из-за ряда серьёзных технических задач, решение которых в то время было затруднено, они не получили широкого распространения.
Новый этап развития дистанционных способов напрямую связан с переходом устройств релейной защиты и автоматики на микропроцессорную базу. Главное преимущество микропроцессорной РЗА заключается в существенном расширении информационной базы и, что не менее важно, в способности воспользоваться этим объёмом данных при помощи алгоритмических моделей электроэнергетических объектов. Вышесказанное в полной мере справедливо и применительно к задаче определения места повреждения. Современные программные комплексы и специализированные устройства ОМП обладают гораздо большей информационной базой и определяют место повреждения по алгоритмам, учитывающим неоднородность линии электропередачи и многие другие элементы энергосистемы, которые невозможно было учесть раньше. Задачи высокочастотной регистрации сигналов и высокоточная синхронизация устройств по концам ЛЭП уже становятся I обыденными и не требуют применения какого-то сверхдорогого и громоздкого оборудования. Каналы связи, необходимые для обмена данными между полукомплектами аппаратных комплексов ОМП, уже закладываются на стадии проектирования линий электропередачи, а их скорости позволяют осуществлять функцию локации в реальном времени. 1.2 Импульсные методы
При подключении источника ЭДС к проводу линии напряжение в точке подключения становится в начальный момент времени (t = 0) равным Е, а в остальных точках линии оно ещё равно нулю. Процесс проникновения электрической энергии во всё более удаленные от начала участки линии, т.е. участки системы с распределёнными параметрами, происходит с конечной скоростью.
Характер этого процесса волновой: вдоль провода от его начала к концу движется электромагнитная волна (ЭМВ) [55, 56]. Если бы в проводе не было активных потерь, и он располагался в вакууме над идеально проводящей поверхностью, то эта ЭМВ перемещалась бы со скоростью света с - 3 105 км/с. В таких условиях распространение энергии идёт строго вдоль провода, без потерь, а волна называется плоской.
При расположении провода с активным сопротивлением над землей с конечной проводимостью ЭМВ перестает быть плоской. Её энергия частично расходуется в проводе и земле, волна как бы проникает в эти среды. Форма волны (особенно её фронт) искажается, и уже нельзя строго говорить о скорости движения всей волны, поскольку отдельные частотные её составляющие перемещаются с разным замедлением.
Процесс распространения волн усложняется ещё более для группы проводов, параллельно расположенных над поверхностью земли. Подключение ЭДС Е к одному проводу в общем случае обуславливает появление напряжений и движущихся ЭМВ в остальных проводах. Энергия распространяется в пространстве, окружающем все провода, проникая в них и в землю.
Процесс распространения зависит от числа, взаимного расположения, материала и размера проводов, их удаленности от поверхности земли, а также характеристик последней. Существенное значение также имеет частотный диапазон, в котором сосредоточена основная часть энергии движущихся волн. Распространение энергии в различных совокупностях параллельных проводов идёт как бы по определенным волновым каналам.
Для однородных участков энергия по отдельным волновым каналам распространяется независимо. В местах нарушения однородности происходит перераспределение энергии между каналами. В общем случае в этих местах возникают отражённые (движущиеся в обратном направлении) и преломлённые волны, а также происходит излучение энергии в пространство.
Частотный спектр излучения лежит в основном вне диапазона частот, в котором производят импульсные измерения на воздушных линиях, поэтому для случая ВЛ излучение не учитывается. На воздушных линиях диэлектрическими потерями можно пренебречь, так как диэлектрическая проницаемость воздуха весьма близка к единице.
Существуют простые и ясные соотношения и методические положения, обусловившие эффективность импульсных измерений. К таким положениям относятся следующие: при наличии на однородном участке линии какого-либо включения, например короткого замыкания (КЗ) или обрыва, волна (или импульс напряжения) отражается от этого места и возвращается к месту измерения; по времени двойного пробега волны легко вычислить соответствующее расстояние; скорости распространения по разным волновым каналам и для различных частотных составляющих спектра электрического импульса различаются не столь существенно, чтобы исключить возможность импульсных измерений; их различия лишь обуславливают определённые погрешности и условия возникновения недостоверных отсчётов.
Алгоритмическое моделирование
Имитационная модель является математическим описанием рассматриваемого объекта и становится его представлением при разработке, анализе и проверке алгоритмов РЗА. От имитационной модели объекта (ИМО) требуется получить реакцию на различные коммутации в сети: включение на нагрузку, появление различного рода несимметрии и т.д. Если говорить о линии электропередачи, то имитационная модель позволяет найти токи и напряжения в ЛЭП при известных ЭДС систем по её концам, например, в нормальном и аварийном режимах.
В качестве примера на рис. 2.1 представлен переход от реального объекта- линии электропередачи - к его ИМО (для простоты приведена однолинейная схема ЛЭП с двухсторонним питанием).
Имитационная модель линии Системы слева и справа задаются соответствующими величинами ЭДС Es, Er и сопротивлениями Zs, Zr, а повреждение - параметрами аварии (координатой места повреждения xf и переходным сопротивлением RA- Как видим, результатом моделирования являются величины токов \s и напряжений U, в месте установки защиты, которые образуют вектор наблюдения Vs
Наиболее точным определением алгоритмической модели объекта (АМО) является слово «наблюдатель». Имея математическую модель объекта и вектор наблюдения V,, который может быть получен как устройством, установленным на объекте, так и имитационной моделью данного объекта, АМО оценивает электрические величины \} и Uy в предполагаемом месте повреждения /, как показано на рис. 2.2.
То, что на вход АМО одновременно подаются и напряжения, и токи, может показаться ошибкой, ведь в действительности токи есть результат воздействия на объект источников ЭДС. Однако алгоритмическая модель объекта является системой обработки информации, которая по измеряемым электрическим величинам Us и Js, образующим вектор наблюдения, формирует ток l_f и напряжение U, в точке/, недоступной наблюдению [58-61]. АМО, таким образом, представляет собой некое виртуальное устройство, фиксирующее токи и напряжения в точке, на самом деле, не доступной нам для наблюдения. имитационное и алгоритмическое моделирование Таблица 2.1 Типмодели Аналог Доступные модели данные Подаваемые навход моделивеличины Результат моделирования ИМО Объект параметры линииэлектропередачи; сведения о режиме(параметры систем); аварийные параметры. Вектордействующих всети ЭДС Е Вектор наблюдения Vs АМО Наблюдатель, виртуальное устройство параметры линииэлектропередачи; параметры систем со сторон,для которых доступен векторнаблюдения. Вектор наблюдения V( 1) Оценки І у иВ/2) Оценки х, и
В табл. 2.1 приведён сравнительный анализ имитационной и алгоритмической моделей. Как видно из неё и из рис. 2.1 и 2.2, сведения, которыми они располагают, различны. Если параметры линии доступны и ИМО, и АМО, то информация об аварии и режиме работы систем от алгоритмической модели скрыта. Проблема отсутствия данных о режиме может быть решена привлечением векторов наблюдения с соответствующих концов линии, при этом речь уже будет идти об алгоритмах с многосторонним замером. где В - матрица преобразования АМО. Алгоритмическое моделирование, таким образом, заключается в синтезе матрицы В и предполагает определение эквивалентной пассивной структуры ПЭКБ, связывающей точку / с местом наблюдения 5. При этом разделяют преобразование в ветвь предполагаемого повреждения и в конец участка ЛЭП (табл. 2.2).
Линия, разделённая относительно точки / на передающую и приёмную части, и система противоположного конца представляются своими пассивными структурами П,, П2 и Пг соответственно. При пересчёте наблюдаемых величин в ветвь предполагаемого повреждения учитываются все перечисленные элементы схемы. Во втором типе преобразования эквивалентная структура Пэт определяется лишь передающей частью ЛЭП.
Для моделирования симметричных режимов и трёхфазных КЗ используется только схемная модель прямой последовательности, схемы обратной и нулевой последовательностей применяются в случае несимметричных режимов (несимметричные КЗ, тяговая нагрузка и т.д.). Комплексная схема замещения, объединяющая все подмодели, определяется видом несимметрии (граничными условиями для особой фазы) и предназначена для расчёта электрических величин прямой последовательности [1,2,67-77]. На рис. 2.7 представлены комплексные схемы замещения для трёх видов несимметричных коротких замыканий.
Разбиение линии на участки однородности
Для расчёта моделей ЛЭП, составленных в базисе симметричных составляющих используется один из методов матричного анализа электрических цепей [63, 64]: метод узловых потенциалов, метод контурных токов, система уравнений по законам Кирхгофа и т.д. На практике же чаще всего используется метод узловых потенциалов благодаря своей относительной простоте формирования уравнений, которые в матричной форме приобретают вид
Размерности матриц определяются количеством узлов п и ветвей т в схеме. Матрица соединений имеет размерность пхт и формируется согласно следующим правилам: каждому токуу -ой ветви, втекающему в г -ый узел, ставится в соответствие «—1», а вытекающему из него — «1» в элементе аг. Элементы главной диагонали квадратной и симметрической матрицы Z порядка т представляют собой собственные сопротивления ветвей схемы, а при наличии взаимной связи между /-ой иу-ой ветвями в элементах Z_v и Z7 прописывается соответствующее сопротивление. Матрица-столбец Е размерности тх\ описывает источники ЭДС, действующие в схеме. Величина источника, сонаправленного с током ветви, записывается со знаком «плюс», в противном случае - со знаком «минус».
Для моделирования симметричных режимов и трёхфазных КЗ используется только схемная модель прямой последовательности, схемы обратной и нулевой последовательностей применяются в случае несимметричных режимов (несимметричные КЗ, тяговая нагрузка и т.д.). Комплексная схема замещения, объединяющая все подмодели, определяется видом несимметрии (граничными условиями для особой фазы) и предназначена для расчёта электрических величин прямой последовательности [1,2,67-77]. На рис. 2.7 представлены комплексные схемы замещения для трёх видов несимметричных коротких замыканий. a) Комплексные схемы замещения для расчета несимметричных КЗ а - для однофазного КЗ К ; б - для междуфазного КЗ в - для двухфазного КЗ на землю Ю Здесь Е1Х - эквивалентная ЭДС, В; токи прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно, А. Для выбранной расчётной схемы формируются матрицы A, Z, Е и осуществляется вычисление напряжений и токов топологическим методом. В случае несимметричных замыканий дополнительно необходимо рассчитать в зависимости от вида КЗ схемы обратной и нулевой последовательностей. Полученные токи и напряжения преобразуются в фазные величины. Вектор наблюдения формируется из элементов, выделяемых из полученных матриц столбцов Uv и Iv, и соответствующих требуемому узлу и ветви схемы.
Расчёт алгоритмической модели в случае метода симметричных составляющих заключается в нахождении коэффициентов преобразования для схем прямой В, и нулевой В0 последовательностей.
Для каждой из них, можно записать систему уравнений в форме Y L=luUs + YnUf; Lf = Y2lUs + Y22Uf, {) связывающую симметричные составляющие наблюдаемых величин U_s и [s с напряжением и током в месте предполагаемого повреждения Uf и If. Коэффициенты Y можно получить по результатам двух опытов короткого замыкания. Для этого используются соответствующие матрицы А и Z, составленные для схем последовательностей. При этом ветвь системы, оказавшейся за местом наблюдения, исключается из рассмотрения, а все остальные источники ЭДС закорачиваются. В первом опыте КЗ, к точке s присоединяется ветвь с идеальной единичной ЭДС, а в предполагаемой точке повреждения выполняется металлическое замыкание (рис. 2.8, а). Во втором опыте (рис. 2.8, б), точка s закорачивается, а ветвь с идеальной единичной ЭДС присоединяется к точке/
В дальнейшем симметричные составляющие наблюдаемых напряжений и токов с помощью коэффициентов В, и В0 преобразуются по-отдельности в соответствующие величины в предполагаемом месте повреждения, а затем по (2.2) определяются искомые фазные значения.
Линия электропередачи представляет собой несимметричную многопроводную линейную систему с распределенными параметрами [63,64,66,67,78,79], которые описываются квадратными симметричными матрицами первичных параметров, и-проводный участок ЛЭП длиной L с удельными параметрами, заданными матрицами удельных сопротивлений R0, индуктивностей L0, проводимостей G и емкостей С0, описывается 2п уравнениями длинной линии, представленными в матричной операторной форме:
Метод каскадного эквивалентирования является мощным инструментом построения имитационных и алгоритмических моделей сложных систем [80-82]. Использование метода позволяет рассчитывать как величины установившегося режима, так и компоненты свободного процесса. Предполагается, что в составе системы присутствуют только статические энергообъекты, такие, как линии электропередачи и трансформаторы, которые образуют каскадное соединение с соседними объектами, а также действуют источники ЭДС или тока. Энергообъекты рассматриваются как многопроводные системы, представленные в виде многополюсников с матрицами прямой А и обратной В передачи, представленными в комплексной форме. Уравнения прямой и обратной передачи такой системы, изображённой на рис. 2.10, выглядят, соответственно, следующим образом
Эквивалентирование передающего и приёмного каскадов На входе передающего каскада имеем величины как напряжений, так и токов, объединённых в вектор WjUwI. Считаем, что на выходе приёмного каскада отсутствуют источники ЭДС. В обратном случае схема рассчитывается методом наложения дважды: на каждом этапе источники с одной из стороны обнуляются, на противоположный конец подаётся свой вектор наблюдаемых величин (WT2«1 \Ут[2и] или Wr[2«]) и рассчитывается алгоритмическая модель.
Аппаратный комплекс «Бреслер-0107.ОМП»
Рис. 3.9 Схема замещения параллельных линий В данном примере сопротивление Zml0 должно исключаться из рассмотрения, a Z„[20, ZHr30 и Zlir50 определяться по результату эквивалентирования параллельных линий относительно своих коридоров влияния. Под величиной Z„r40 понимается эквивалентное сопротивление нулевой последовательности «Ответвления 3», которое должно учитываться, если нейтрали трансформаторов, установленных на данной ответвительной подстанции, заземлены.
Как уже было сказано, системы по концам линии и обходная связь вносятся в модель своими эквивалентными сопротивлениями прямой и нулевой последовательностей. При этом под обходной связью понимается любая дополнительная, существующая помимо основной линии, связь между концами ЛЭП. При расчёте эквивалентных сопротивлений прямой последовательности параллельные линии, связанные индуктивно с основной, включаются в обходную связь, а при расчёте нулевой последовательности рассматриваются как отдельные элементы модели.
Моделирование ответвительных подстанций заключается в определении полного сопротивления линии ответвления и в расчёте схемы замещения силового трансформатора с нагрузкой. При вычислении параметров нулевой последовательности учитываются схема соединения и режим заземления нейтрали обмоток трансформатора.
Шунтирующий реактор вносится в модель своим эквивалентным сопротивлением, вычисляемым по его суммарной мощности, если в расчётах места повреждения используются суммарные токи линии и реактора. В противном случае, когда данный элемент оказывается «за спиной», его необходимо учесть в эквивалентах систем.
Все учитываемые элементы линии вносятся в модель по описанным выше правилам. В результате соединения их между собой составляются схемы прямой и нулевой последовательностей, для которых формируются соответствующие матрицы соединения А и сопротивлений Z. Далее расчёт имитационной или алгоритмической модели осуществляется топологическим методом.
Выбор метода симметричных составляющих объясняется относительной простотой его реализации и тем, что информация, необходимая для формирования моделей ЛЭП в данном базисе, доступна и в случае необходимости может быть оперативно уточнена. Последний факт имеет немаловажное значение в условиях ограниченности времени поиска места повреждения на ответственных линиях электропередачи. Однако несмотря на все свои явные преимущества, метод симметричных составляющих не позволяет учесть реальную геометрию опор, поскольку основан на том допущении, что ЛЭП симметрична и полностью транспонирована. Данное ограничение может негативно сказаться на результатах определения места междуфазных замыканий,-особенно на линиях 500-750 кВ, для которых характерно горизонтальное расположение проводов. В качестве примера рассмотрим фрагмент ЛЭП, изображённой на рис. 3.10. На ней применены опоры портального типа (с горизонтальным расположением проводов), а в результате однократной транспозиции образуются два участка.
На рис. П3.1 представлена осциллограмма опытного междуфазного замыкания фаз С и А, осуществлённого 17 ноября 2010 года на линии 500 кВ «Амурская - Хэйхэ», принадлежащей МЭС Востока, на расстоянии 83,6 км от подстанции «Амурская». Соответствующие ей величины предшествующего, текущего и чисто аварийного режимов представлены в табл. 3.13.
Однако, несмотря на значительное повышение точности определения места повреждения, переход к новому базису требует пересмотра и усложнения всей методики построения моделей ЛЭП. Ещё одним существенным недостатком фазных координат, обусловившим то, что этот базис моделирования до сих пор не получил широкого распространения, является необходимость сбора гораздо большего объёма информации о линии электропередачи по сравнению с методом симметричных составляющих. При этом определение некоторых параметров зачастую требует серьёзных исследований, сводящих на нет все преимущества данного базиса и делающих затруднительным оперативное изменение модели для целей ОМП.
Применительно к описанной выше ситуации был разработан метод разделения базисов имитационной и алгоритмической моделей. Согласно ему имитационная модель объекта строится в базисе фазных координат, что позволяет учесть геометрию опор ЛЭП, и используется для формирования векторов наблюдения, соответствующих определённому замыканию в произвольной точке xf линии. Алгоритмическая модель, построенная в базисе симметричных составляющих, по модельному сигналу находит оценку места повреждения х . Чтобы привести АМО в соответствие имитационной модели или, иными словами, учесть в ней реальное расположение проводов, осуществляется корректировка её структуры, которая заключается в изменении удельных индуктивных сопротивлений участков однородности в зависимости от невязки є по закону где к(х, Е) - корректирующий коэффициент, Хсх - исходное значение сопротивления в базисе симметричных составляющих. Схема выполнения данной процедуры изображена на рис. 3.11.
Исследования показали, что корректирующие коэффициенты целесообразно применять при определении места возникновения междуфазных и двухфазных на землю замыканий, поскольку при остальных видах КЗ неучёт в методе симметричных составляющих реального расположения проводов не сказывается на результате определения места повреждения. Это позволяет в ходе поиска коэффициентов изменять лишь сопротивления прямой последовательности.
Зависимость величины невязки є (абсолютной погрешности) от координаты повреждения xf при междуфазном замыкании фаз С и А на линии
«Амурская - Хэйхэ», описанной в предыдущем пункте, представлена на рис. 3.12, а. Как видно, погрешность ОМП по модели, построенной в базисе симметричных составляющих и потому не учитывающей реальной несимметрии ЛЭП, растёт практически линейно, а начиная со 139,94 км место повреждения вообще не обнаруживается.
