Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современных методов и устройств волнового ОМП ЛЭП 13
1.1 Анализ состояния задачи ОМП, основанного на волновом принципе, в современных условиях 13
1.2 Классификация и особенности методов волнового ОМП ЛЭП 22
1.3 Сопоставительный анализ современных технических решений и устройств волнового ОМП 31
1.4 Выводы по главе 58
2 Оценка факторов, снижающих точность волнового ОМП, и способы повышении точности на основе имитационного моделирования электротехнических комплексов 59
2.1 Принципы составления имитационных моделей электротехнических комплексов для исследования высокочастотных переходных процессов 60
2.2 Оценка факторов, влияющих на ошибку волнового ОМП 69
2.3 Способ повышения точности волнового ОМП на основе анализа результатов имитационного моделирования электротехнических комплексов 91
2.4 Оценка эффективности применения адаптивного метода на примере ЛЭП Нижегородской энергосистемы 98
2.5 Выводы по главе 106
3 Разработка методов многостороннего волнового ОМП воздушных ЛЭП с ответвлениями 107
3.1 Псевдодальномерный метод волнового ОМП 108
3.2 Разностно-дальномерный метод волнового ОМП 113
3.3 Повышение точности оценки скорости распространения электромагнитного импульса на основе дифференциального принципа 117
3.4 Влияние изменения параметров воздушных ЛЭП на точность многосторонних методов волнового ОМП 122
3.5 Определение зоны обхода при многостороннем волновом ОМП 124
3.6 Выводы по главе 131
4 Повышение точности волнового ОМП на основе использования эксплуатационной статистики 132
4.1 Повышение эффективности регистрации волнового сигнала на фоне шумов и помех 132
4.2 Использование эксплуатационной статистики повреждений на ЛЭП для повышения точности волнового ОМП 139
4.3 Оценка ошибки ВОМП при регистрации аварийного сигнала по каналу высокочастотного измерительного тракта 143
4.4 Разработка устройства волнового ОМП для воздушных ЛЭП 152
4.5 Выводы по главе 159
Заключение 160
Список литературы 163
Приложение А. Регистрация высокочастотного импульса волнового канала 191
Приложение Б. Корректировочные коэффициенты адаптивного ВОМП 194
Приложение В. Реализация оптимального обнаружителя в задаче ВОМП 196
Приложение Г. Повышение точности ВОМП по данным эксплуатационной статистики 210
Приложение Д. Моделирование измерительного тракта ВОМП 211
Приложение Е. Акты внедрения и патенты 224
- Классификация и особенности методов волнового ОМП ЛЭП
- Оценка факторов, влияющих на ошибку волнового ОМП
- Повышение точности оценки скорости распространения электромагнитного импульса на основе дифференциального принципа
- Оценка ошибки ВОМП при регистрации аварийного сигнала по каналу высокочастотного измерительного тракта
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Повреждения на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи становятся причиной недоотпуска электрической энергии, снижения надежности электроснабжения, нарушений качества электроэнергии и, в ряде случаев, приводят к тяжелым последствиям для потребителей. При этом возникают быстропротекающие переходные процессы, которые со скоростью близкой к скорости света распространяются в виде бегущих волн к концам линии электропередачи (ЛЭП). На этих физических принципах основаны волновые методы определения мест повреждений (ВОМП) ЛЭП, которые позволяют быстро и точно рассчитать расстояние до повреждения.
Несмотря на то, что первые опыты ВОМП ЛЭП известны с 40-х годов про
шлого столетия, только в последнее десятилетие соответствующие устройства
начали выпускаться серийно и внедряться в практику эксплуатирующих органи
заций. Этому способствовал технический прогресс в области информационных
технологий: высокоскоростного аналого-цифрового преобразования (АЦП),
цифровой обработки сигналов (ЦОС), спутниковой синхронизации и навигации,
а также развития цифровых коммуникаций. Наиболее известными устройства
ВОМП ЛЭП, выпускаемыми отечественными и зарубежными производителями
являются: Бреслер-0107.090 (ООО НПП «Бреслер», Россия), ЭНИС
(ОАО «ЭНИН», Россия), SEL-T400L (SEL, США), RVP-31x (Reason, Франция), TWS Mk VI (Qualitrol, Канада), TWS FL-8 (Qualitrol, Канада), TFS 2100 (ISA, Италия).
В электротехническом комплексе современных электрических подстанций устройства ВОМП могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с устройствами определением места повреждения (ОМП) по параметрам аварийного режима (ПАР), обеспечивая взаимное резервирование. Особенно это актуально, когда высокие погрешности ОМП по ПАР (до 15-20%) приводят к результатам, выходящим за границы ЛЭП, и не имеют физической интерпретации. Перспективность ВОМП определяется, прежде всего, повышенной точностью (до одного пролета ЛЭП), слабой зависимостью ошибки от длины ЛЭП, что позволяет исключить процедуру расчета зоны обхода из алгоритма действия диспетчерских служб при ликвидации аварии.
Весомый вклад в развитие теории и создания устройств ВОМП ЛЭП внесли российские и зарубежные ученые: А.И. Айзенфельд, Е.А. Аржанников, Я.Л. Арци-шевский, В.Н. Козлов, М.В. Костенко, А.Л. Куликов, В.Ф. Лачугин, Д.Р. Любарский, Ю.Я. Лямец, М.Ш. Мисриханов, И.Н. Попов, Г. М. Шалыт, В.А. Шуин, G.B. Ancell, М. Bashir, P. Chen, B. Cory, X. Dong, A. Dwivedi, A. Elhaffar, N. Fisher, M. Kezunovic, Li Jing, M. Lehtonen, S. Lin., Y. Lin, S. Ma, D.J. Spoor, A. Valenti, B. Wang, L.M. Wedepohl, Z. Yining, X. Zeng, и др.
Анализ научно-технической литературы показывает, что при реализации ВОМП ЛЭП в полной мере не использован потенциал имитационного модели-3
рования для повышения точности расчета расстояния до места повреждения. Развитие специализированных программных средств, таких как PSCAD, позволяет более точно воспроизводить волновые процессы на ЛЭП, исследовать возникающие ошибки ВОМП и применять методы имитационного моделирования для их компенсации.
Важнейшим ресурсом сокращения времени ликвидации аварий в схемах электроснабжения с применением разветвленных ЛЭП является избыточность информации. Причем, собственники потребительских подстанций могут устанавливать дополнительные устройства ВОМП для выявления повреждений на участках ЛЭП, находящихся в зоне их эксплуатационной ответственности. Таким образом, синхронизированные многосторонние измерения и пространственное расположение устройств ВОМП на ЛЭП с ответвлениями определяют перспективность применения навигационных подходов.
Цель работы: Разработка методов ОМП повышенной точности на ВЛ с о т-ветвлениями, основанных на регистрации волновых процессов и результатах имитационного моделирования.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации реализован следующий комплекс задач:
-
Сравнительный анализ различных методов и средств ВОМП ЛЭП, выявление особенностей и вариантов их применения.
-
Определение факторов, влияющих на точность ВОМП ЛЭП, и разработка алгоритмов компенсации погрешностей с использованием моделирования в программном обеспечении PSCAD.
-
Исследование возможностей навигационного подхода с целью формирования новых способов многостороннего ВОМП повышенной точности на ЛЭП с ответвлениями.
-
Корректировка результатов методов ВОМП ЛЭП по данным эксплуатационной статистики.
-
Разработка устройства для реализации ВОМП с возможностью установки на ЛЭП с ответвлениями.
-
Апробация алгоритмов и разработанного устройства ВОМП на ЛЭП с ответвлениями на предприятии электрических сетей.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы».
Соответствие диссертации формуле специальности: в соответствии с формулой специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы» в диссертационной работе объектом исследования являются воздушные линии электропередачи с ответвлениями, как составная часть электротехнических комплексов и систем электроснабжения, предметом исследования являются методы повышения точности алгоритмов ВОМП на ЛЭП с ответвлениями.
Соответствие диссертации области исследования специальности: пред-4
ставленные в диссертационной работе результаты отвечают следующим пунктам паспорта специальности:
п. 1 Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем;
п. 2 Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем;
п. 4 Исследование работоспособности и качества функционирования эле к-тротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.
Методы научных исследований. Разработанные в диссертации научные положения основываются на использовании комплекса теоретических и экспериментальных достижений в области теоретических основ электротехники, теории электромагнитных и электромеханических переходных процессов, теории радионавигации, имитационного моделирования и цифровой обработки сигналов.
Научная новизна.
-
Предложено применение навигационных подходов для ВОМП на ЛЭП с ответвлениями, отличающихся повышенной точностью ОМП за счет многосторонней фиксации электромагнитных волн на концах ЛЭП.
-
Разработаны методы компенсации погрешностей ВОМП ЛЭП с применением имитационного моделирования в программном обеспечении PSCAD. Методы отличает возможность индивидуализировать ВОМП под особенности технического исполнения и изменения эксплуатационных параметров ЛЭП.
-
Разработано устройство, позволяющее реализовать ВОМП на ЛЭП с ответвлениями. Отличительной особенностью устройства является возможность регистрации приходящих электромагнитных волн с использованием как трансформаторов тока, так и высокочастотного присоединения ЛЭП.
-
Исследовано применение эксплуатационной статистики повреждений ЛЭП для повышения точности ВОМП. Технические решения ВОМП ЛЭП защищены патентами.
Практическая значимость работы.
-
Предложенные способы многостороннего ВОМП на ЛЭП с ответвлениями позволяют повысить точность расчета расстояния до повреждения от 1,5 до 10 раз. Способы могут быть внедрены в существующие устройства ВОМП ЛЭП без переработки аппаратной части.
-
Предложены методы учета эксплуатационной статистики повреждений для повышения точности ВОМП ЛЭП. Методы позволяют адаптировать ВОМП к параметрам конкретной ЛЭП.
-
Разработанное устройство ВОМП может найти применение на ЛЭП различной конфигурации. В настоящее время устройство находится в опытной эксплуатации в филиале ОАО «МРСК Центра и Приволжья» - Нижновэнерго на ВЛ 110кВ «Кулебаки-Сапфир» на ПС 110/35/6 «Кулебаки» и ВЛ 110кВ «Сапфир-Дивеево» на ПС 110/35/6 «Дивеево».
-
Материалы исследований используются в учебном процессе Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева; реализованы в прикладном научном исследовании (ПНИ) «Разработка интеллектуальной релейной защиты с характеристиками, не зависящими от режимов работы активно-адаптивной электрической сети» в составе экспериментального образца.
Достоверность результатов исследования подтверждается опытами имитационного моделирования ВОМП на ЛЭП с ответвлениями. Результаты имитационного моделирования сопоставлялись с известными данными, полученными в этой области другими авторами, а также с опытом применения устройств ВОМП на ЛЭП ПАО «ФСК ЕЭС».
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты сопоставительного анализа методов и средств ВОМП, а также особенности их применения на ЛЭП различного технического исполнения.
-
Оценки погрешностей ВОМП ЛЭП из-за воздействия влияющих на ошибку факторов и способы их компенсации.
-
Новые алгоритмы многостороннего ВОМП ЛЭП с ответвлениями, основанного на навигационных принципах.
-
Методы учета эксплуатационной статистики для повышения точности ВОМП ЛЭП.
-
Аппаратное исполнение устройства для применения при многостороннем ВОМП на ЛЭП с ответвлениями.
Личный вклад аспиранта. Постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, проведение имитационного моделирования ВОМП ЛЭП, анализ результатов, а также практические рекомендации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях: международная молодежно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2013, 2015 г.), XIX нижегородская сессия молодых ученых (Н. Новгород, 2014 г.), 5-я международная научно-техническая конференция «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем» (РНК СИГРЭ, Сочи, 2015 г.), всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 2015 г.), научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики», (Н. Новгород, 2015 г.), международный семинар имени Ю.Н. Руденко «Актуальные проблемы надежности систем энергетики» (Минск, 2015 г.), VI
международная молодежная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (Иваново, 2015 г.), Х всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2016 г.).
Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано 26 работ, из них 7 в рецензируемых изданиях по списку ВАК, 4 в рецензируемых изданиях по списку Web of Science и Scopus, 4 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 256 наименований и 6 приложений. Работа изложена на 190 страницах основного текста, иллюстрирована 158 рисунками и 39 таблицами.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение № 14.577.21.0124 о предоставлении субсидии от 20.10.2014г., уникальный идентификатор проекта RFMEFI57714X0124; соглашение № 14.577.21.0244 о предоставлении субсидии от 26.09.2017г., уникальный идентификатор проекта RFMEFI57717X0244).
Классификация и особенности методов волнового ОМП ЛЭП
В технической литературе [1, 2, 5, 6, 15, 28, 29] известны различные подходы к классификации методов ОМП ЛЭП. Волновое ОМП относят к высокочастотным методам, в которых выполняется регистрация и анализ аварийного сигнала в диапазоне от единиц сотен кГц (рисунок 1.9).
импульсов, а также сложность подбора параметров этого устройства для обеспечения приемлемой точности ОМП. Например, подбор согласованного с волновым сопротивлением ЛЭП выходного сопротивления устройства генерации импульсов, формы зондирующего сигнала и др. Напротив, пассивные методы ВОМП регистрируют электромагнитный импульс, формируемый при повреждении на ЛЭП.
На схеме (рисунок 1.10) приведена классификация ВОМП, например, [28, 90, 178].
Если точка повреждения находится ближе к ПС j, более выгодным является регистрация вторичной электромагнитной волны, распространяющейся при отражении от противоположного конца ЛЭП. Предлагаемый подход наиболее целесообразен, т.к. электромагнитная волна затухает тем больше, чем большее расстояние она проходит. Расчетное выражение в таком случае изменяется незначительно где L - длина ЛЭП.
Реализация одностороннего метода может быть выполнена на основе регистрации электромагнитных волн, распространяющихся по разным волновым каналам с разными скоростями v1 и v2, например, по каналу «провод-провод» и «провод-земля». Такой подход разработан в МЭИ [90]. При реализации такого подхода расстояние до повреждения определяется выражением
В двустороннем методе волнового ОМП (метод D) расчет расстояния до повреждения реализуется путем фиксации времени прихода электромагнитной волны к двум противоположным концам ЛЭП (рисунок 1.5). Согласно пройденному электромагнитной волной до ПС / расстоянию вычислена дистанция где t0 - время возникновения повреждения. С учетом того, что длина линии составляет L, для электромагнитной волны, распространяющейся до ПС у можно записать L-d = (y + AvjXt20).
Оценка расстояния до места повреждения от точки установки регистратора / выполняется по выражению (1.1).
Сравнение времени, зарегистрированного установленными на разных концах ЛЭП регистраторами, возможно при наличии синхронизации времени. В современных условиях синхронизация осуществляется с использованием спутников GPS или ГЛОНАСС. Метод двухстороннего ВОМП считается более точным, однако в случае ошибки синхронизации времени расстояние до места повреждения будет найдено с большими погрешностями, которые могут достигать нескольких десятков километров [117]. Точность синхронизации времени также накладывает ограничение на точность метода ВОМП. Поскольку точность синхронизации достигает 100 нс, ошибка оценки расстояния для двухстороннего метода D может достигать 60 м.
Синхронизация времени при двухстороннем ВОМП может осуществляться хронирующими импульсами, передаваемыми по каналу связи между полукомплектами устройства ВОМП. При передаче периодических хронирующих импульсов на обоих полукомплектах ведется счет времени, отличающийся на постоянную известную величину времени t распространения хронирующего импульса. Расстояние до повреждения определяется выражением
Такой способ называется двухсторонним ВОМП с предварительными хронирующими импульсами. При реализации способа (рисунок 1.3), счетчик времени работает только на одном полукомплекте устройства ВОМП. Счетчик запускается при фиксации фронта импульса повреждения. Регистрация импульса повреждения на противоположном конце ЛЭП приводит к посылке хронирующего импульса на другой конец ЛЭП для остановки счетчика времени. Так как время распространения хронирующего импульса по каналу связи известно, расстояние до повреждения определяется выражением (1.5) [90].
В одностороннем методе Е, оценка расстояния до места повреждения реализуется путем фиксации времени прохождения электромагнитных импульсов, сгенерированных при коммутации силового выключателя (рисунок 1.12) [170]. Расстояние рассчитывается по приведенным ранее (для метода А) выражениям (1.2) и (1.3).
Методы B и С относятся к методам активного зондирования [90]. По методу B в момент прихода к ближайшему концу ЛЭП электромагнитной волны запускается таймер. В момент достижения второй электромагнитной волны другого конца ЛЭП, принимающее устройство посылает в линию электропередачи электромагнитный импульс. При достижении этого импульса первого конца ЛЭП происходит остановка запущенного таймера. Оценка расстояния до повреждения находится по времени, отсчитанного таймером, и расчетному выражению (1.5), аналогично методу D [178].
Односторонний метод С работает по принципу радара. В линию посылается электромагнитный импульс, который отражается от места повреждения и возвращается назад. Время прохождения импульса используется для оценки расстояния до места повреждения. Метод применим при наличии неустранимых повреждений на линии электропередачи [178].
Метод стоячих волн основан на вычислении резонансных частот, определяемых расстоянием до повреждения. В то время как для обеспечения приемлемой точности на кабельных ЛЭП (КЛ) возможно проведение измерений для «земляного» волнового канала, образуемой поврежденной фазой и оболочкой, для воздушных ЛЭП (ВЛ) требуется проведение более сложных измерений на междуфазных каналах. Такое требование выдвигается из-за различных скоростей распространения волн по разным волновым каналам. Метод стоячих волн имеет ограниченное применение при наличии участков неоднородностей и используется редко, по всем параметрам уступая методам активного зондирования и ВОМП [90].
Частотно-временные методы основаны на разности времени регистрации гармонических колебаний разной частоты. Физическая основа методов обеспечена диспергирующей средой распространения электромагнитного сигнала по ЛЭП. Более подробно частотно-временные методы рассмотрены в работе [49].
Фазовые методы выполняют ОМП на основе измерения приращения фазы излученного гармонического колебания за время распространения сигнала до места повреждения. Следует отметить, что фазовый метод обладает малой разрешающей способностью по расстоянию (т.е. способностью различить два повреждения на ЛЭП, находящихся на некотором расстоянии друг от друга) и характеризуется сложностью реализации одновременного излучения и приема непрерывного гармонического сигнала заданной несущей частоты f0. Существуют реализации фазового метода, устраняющие указанные ограничения. Подробное рассмотрение фазовых методов выполнено в работе [49].
Корреляционная обработка отраженного и принятого сигнала при ОМП позволяет оценить эффективность применения зондирующих сигналов. При этом наиболее лучшими характеристиками (большей разрешающей способностью и меньшими ошибками измерения расстояния) обладают сигналы с автокорреляционной функцией «игольчатого типа». На практике необходимо учитывать влияние интенсивности шумов на разрешающую способность сигналов [28, 36]. В главе 4 предложено применение метода корреляционной обработки при регистрации импульсных сигналов от повреждения для ВОМП. Предложенный способ обладает более высокой чувствительностью регистрации сигнала в условии шумов и помех.
Оценка факторов, влияющих на ошибку волнового ОМП
Электромагнитный импульс искажается, распространяясь от места повреждения до места регистрации. Причем чем большее расстояние проходит импульс, тем больше искажение его фронта и снижение амплитуды. По этой причине существует корреляция ошибки ВОМП для удаленности повреждения от места установки устройства регистрации. Конструктивные особенности ВЛ при этом определяют степень искажения импульса повреждения, а изменяющиеся метеоусловия (изменение удельного сопротивление грунта и температурного режима работы ВЛ), определяют диапазон возможных удельных параметров ВЛ. Влияние этих параметров на ошибку ВОМП рассмотрено в разделах 2.2.1, 2.2.2.
Известно [21], что распространение высокочастотных импульсов происходит в волновых каналах. Обработка аварийного сигнала в модальных координатах предпочтительна [52, 85], т.к. в фазных координатах фронт импульса искажается в большей степени. В разделе 2.2.3 выполнено сопоставление ошибок ВОМП, анализирующих сигнал в фазных и модальных координатах, с использованием имитационных моделей ЭТК.
Исследование ошибки ВОМП, зависящей от способа формирования временной метки (фиксирующего фронт импульса) и используемого измерительного тракта (ВЧ-связи или ТТ), рассмотрено в главе 4, которая посвящена реализации устройства ВОМП.
Известно [21, 185], что удельные параметры ВЛ определяют степень затухания электромагнитного импульса, а также определяют ее групповую скорость распространения. Если на ВЛ имеются участки неоднородностей удельных параметров создаются условия для переотражений исходного импульсного сигнала (рисунок 2.10), что приводит к дополнительному снижению амплитуды и в некоторых случаях [52, 82] изменению полярности регистрируемого сигнала. Степень снижения амплитуды и смена полярности при этом определяются соотношениями волновых сопротивлений на соседних участках [82].
Рассмотрим влияние диспергирующего характера среды распространения электромагнитного импульса на ошибку ВОМП. Групповая скорость распространения определяется фазовыми скоростями ее частотных компонент [21, 185]
Исследование показало, что использование фиксированного значения скорости распространения электромагнитной волны в расчетных соотношениях ВОМП, например, в выражении (1.1), приводят к ошибкам.
Выполнено исследование зависимости скорости распространения электромагнитного импульса от расстояния до повреждения на имитационной модели ЛЭП 220 кВ «Бобыльская – Кудьма» (таблица 2.7, рисунок 2.8). В ходе исследования имитировалось однофазное короткое замыкание через переходное сопротивление 100 Ом на различной удаленности от шин ПС. Импульс повреждения регистрировался на концах ЛЭП с использованием логической схемы представленной на рисунке 2.5. На рисунке 2.14 представлена зависимость расчетной скорости распространения электромагнитного импульса от расстояния до повреждения, полученная по данным имитационных экспериментов. Скорость рассчитана как отношение между временем фиксации фронта импульса (рисунок 2.12) на шинах ПС «Бобыльская» и расстояния до повреждения. Представленный график зависимости коррелирует с границами участков неоднородностей, которые находятся на расстояниях 20, 28, 73 и 97 км от ПС «Бобыльская» (таблица 2.7). Маленькие значения скорости для близких к шинам ПС «Бобыльская» повреждений объясняются несовершенством устройств фиксации фронта импульса, которые фиксируют не начало переходного процесса, а момент достижения аварийный сигналом пороговой уставки (рисунок 2.12). В главе 4 рассмотрен более точный способ фиксации фронта электромагнитного импульса.
На имитационной модели ЛЭП 220 кВ «Бобыльская - Кудьма» выполнено исследование ошибки одно- и двухстороннего ВОМП. Расчет расстояния выполнен по выражениям ВОМП (1.1) и (1.2) с использованием расчетной скорости распространения электромагнитной волны равной 300 000 км/с. Результаты представлены на рисунке 2.15. При имитации работы двухстороннего ВОМП моделировался синхронный ход времени на полукомплектах устройств, установленных на противоположных концах ВЛ.
Ошибка одностороннего метода (рисунок 2.15) в 3-4 раза превышает ошибку двухстороннего метода ВОМП для повреждений ЛЭП равной удаленности. Различные ошибки обусловлены расстояниями, которые проходит импульс повреждения. Односторонний метод фиксирует переотраженный от места повреждения импульс, двухсторонний – фиксирует первичный импульс повреждения, проходящий втрое меньшее расстояние.
Следует заметить, что различающиеся параметры участков ВЛ (таблица 2.7) приводят к изменению наклона кривой графика ошибки ВОМП (рисунок 2.15). На графике выделяются 5 участков с разным наклоном, границы которых совпадают с границами участков неоднородностей (таблица 2.7).
В диссертационной работе выполнена оценка влияния эксплуатационного изменения удельных параметров ВЛ (температуры провода, стрелы провеса, удельного сопротивления грунта) на ошибку ВОМП.
Известно [21, 185], что активное сопротивление провода ВЛ определяют затухание импульсного сигнала повреждения. В свою очередь активное сопротивление определяется режимными параметрами работы ВЛ и погодными условиями (температурой воздуха, скоростью ветра, величиной солнечного излучения) [24] (таблица 2.2).
Влияние метеоусловий оценено на примере ЛЭП 220 кВ «Бобыльская – Кудьма» в программном комплексе PSCAD (таблица 2.7, рисунок 2.8). В ходе имитации повреждений на модели ВЛ варьировались расстояние до повреждения и удельное активное сопротивление проводов, имитируя работу ЛЭП в диапазоне температур от -20 до 70 оС (таблица 2.2). По концам ЛЭП фиксировались импульсы повреждений и выполнялся расчет ВОМП по выражению (1.1). На рисунке 2.18 представлены результаты исследования. Для удобства оценки ошибки график показан в двух проекциях.
Анализ ошибки ВОМП (рисунок 2.18) показывает, что для повреждений равной удаленности дополнительная погрешность ВОМП, обусловленная изменением температуры провода, не значительна (укладывается в погрешность моделирования).
Повышение точности оценки скорости распространения электромагнитного импульса на основе дифференциального принципа
Согласно исследованиям [148, 250] скорость, регистрируемых на ВЛ импульсов, может варьироваться в широком диапазоне от 2,8108 до 3108 м/с (глава 2). Выражения (2.3) и (2.5) позволяют рассчитать ошибку ВОМП, зависящую от выбора расчетной скорости реализации ВОМП ЛЭП. Метод компенсации ошибки скорости распространения электромагнитной волны по ЛЭП, предложенный зарубежными авторами [250], не учитывает ответвления ЛЭП (раздел 2.3).
Для компенсации ошибок ВОМП на ЛЭП с ответвлениями, возникающих из-за отклонения скорости распространения волн по ЛЭП от расчетной, предлагается применить дифференциальный принцип [12, 30, 40, 173]. В основе предлагаемого способа лежит информация об известных координатах и параметрах опорных точек. В качестве опорных точек в ВОМП принимаются концы ответвлений ВЛ, координаты которых известны с высокой точностью.
Расчетные выражения дифференциального метода ВОМП ЛЭП с ответвлениями, например, рисунок 3.1, определяются системой уравнений, составленной относительно переменной скорости v распространения электромагнитного волнового импульса от повреждения ЛЭП
Достоинством дифференциального подхода является то, что уточнение скорости v может быть реализовано не только с помощью многосторонних измерений, но и с применением последовательных имитационных экспериментов, например, для схемы, показанной на рисунке 3.1, путем имитации на ответвлении І волнового процесса при коммутации выключателя на ПС у.
Эффективность дифференциального принципа исследована в программном комплексе PSCAD путем имитирования повреждений на ответвлении j электрической сети (рисунки 3.9), параметры которой заданы в таблице 3.2.
Оценка скорости v в контуре «фаза» - «фаза» ВЛ выполнена на основе регистрации электромагнитного волнового импульса путем коммутации выключателя на ПС j (таблица 3.3).
Сравнение точности двухстороннего волнового метода измерений без уточнения скорости v и разработанного алгоритма, функционирующего с применением дифференциального принципа, проводилось по осциллограммам, зарегистрированным на ПС / и j. Результаты моделирования ВОМП ЛЭП приведены в таблице 3.4. Графическое представление зависимости ошибки от расстояния до повреждения для сравниваемых методов ВОМП ЛЭП представлено на рисунке 3.10.
Анализ таблицы 3.4 и рисунка 3.10 показывает, что применение дифференциального метода ВОМП на ЛЭП с ответвлениями позволяет существенно в (2-4 раза) уменьшить ошибку расчета расстояния до повреждения по сравнению с двухсторонним волновым методом.
С учетом сопоставляемых зависимостей (рисунок 3.10) следует отметить, что точное значение скорости v распространения электромагнитной волны по ЛЭП не позволяет в полной мере компенсировать скоростную ошибку для двухстороннего ВОМП ввиду крутизны графика зависимости его ошибки от расстояния до повреждения. Результаты моделирования показали, что точность дифференциального метода ВОМП повышается при увеличении количества ответвлений на ЛЭП.
Оценка ошибки ВОМП при регистрации аварийного сигнала по каналу высокочастотного измерительного тракта
Датчик тока состоит из сердечника, ограничителя напряжения и резистивного делителя напряжения. Датчики тока устанавливаются последовательно в цепи заземленных элементов, например, емкостных ТН или во вторичной цепи ТТ. Установка датчиков не влияет на режим работы силового оборудования. Датчик тока по принципу действия является дифференцирующим: сигнал на выходе получается выше для высокочастотного входного сигнала (4.11)
Датчики напряжения устанавливаются в разрыв треугольника обмотки нулевой последовательности или во вторичные цепи ТН. В работе [226] исследовано влияние цепи регистрации на форму аварийного сигнала. Результаты исследования для ЛЭП 110 кВ представлены на рисунке 4.11.
Чаще всего регистрация высокочастотных переходных процессов выполняется токовыми датчиками. На рисунке 4.12 представлена схема подключения датчика тока ко вторичной цепи ТТ с бумажно-масленой изоляцией и ее высокочастотная схему замещения [226].
Паразитные межобмоточные емкости CP (рисунок 4.12) составляют порядка 1 нФ, CF – порядка 50 пФ (порядок величин емкостей совпадает в нескольких источниках [141, 162, 191, 226]). Эти емкости определяются «паразитной» электромагнитной связью между обмотками и оболочкой ТТ. Емкость CS образована «паразитной» межвитковой емкостью вторичной обмотки.
Межвитковая емкость первичной цепи мала из-за малого числа витков, поэтому ею можно пренебречь. Наличие поперечной паразитной емкости CS вызывает уменьшение амплитуды высокочастотного сигнала на выходе вторичной обмотки.
Наличие индуктивности рассеивания Ll, скин-эффекта вторичной обмотки и кабелей, емкостной проводимости кабелей искажает фиксируемый высокочастотный сигнал.
Повреждение на ЛЭП характеризуется апериодической составляющей тока, который вызывает насыщение ТТ. Однако время насыщения ТТ составляет несколько миллисекунд (зависит от размеров сердечника и постоянной времени электрической цепи). В то время как период фиксируемого высокочастотного процесса составляет микросекунды. Поэтому фиксация высокочастотного аварийного сигнала осуществляется в условии отсутствия насыщения ТТ [226]. Однако следует иметь ввиду, что такое допущение не применимо при фиксации повторных повреждений, возникающих, например, в результате АПВ. Снижение влияния апериодической составляющей при фиксации аварийного сигнала от повреждения ЛЭП возможно за счет применения специальных методов цифровой обработки сигнала, например, [88].
Известно [82], что высоковольтные измерительные ТТ преобразуют сигнал без существенных искажений лишь в диапазоне частот до единиц и десятков килогерц, а высоковольтные измерительные ТН [23] не передают частоты кратные собственным частотам обмотки трансформатора. Подавляемые частоты растут с уменьшением номинального напряжения и мощности ТН, например, для трансформаторов типа НОМ-6 подавляемые частоты составляют 25, 50 и 80 кГц. Согласно исследованию зарубежных авторов [148] АЧХ емкостных ТН также не линейна: наблюдается провал в районе 1 кГц и постепенное снижение амплитуды на частотах свыше 10 кГц (рисунок 4.13).
Согласно исследованию [52], при существенном искажении метрологических погрешностей ТТ и ТН на частотах свыше 5 кГц, погрешность АЧХ и ФЧХ до 500 кГц не превышает соответственно 5% и 10 градусов.
Наличие на ЛЭП 35 кВ и выше высокочастотных заградителей ухудшает условия регистрации аварийного сигнала с измерительных трансформаторов. Так, например, в зависимости от настройки заградителя ВЗ-1000-0,6 полоса заграждения может варьироваться от 42-56 кГц до 140-600 кГц [64]. На рисунке 4.14 представлена зависимость полосы заграждения высокочастотного заградителя ВЧЗС-100В. Высокочастотные датчики при реализации ВОМП ЛЭП могут подключаться к высокочастотному каналу связи.
В работе выполнено исследование фиксируемых аварийных сигналов от повреждения ЛЭП на имитационной модели ЛЭП с учетом влияния измерительного тракта высокочастотной связи и ТТ. Фиксация высокочастотного сигнала реализовано с учетом нагрузки вторичной цепи устройства измерения.
Высокочастотная модель ТТ выполнена по данным исследований [141, 161, 162, 191, 210]. Модель канала высокочастотной связи выполнена по параметрам серийно-выпускаемых устройств [64].
Структурная схема и параметры исследуемой ЛЭП 220 кВ «Семенов – Рыжково – Мантурово» Нижегородской системы представлены на рисунке Д.1 и в таблице Д.1. Схема замещения ЛЭП 220 кВ в программной среде PSCAD показана на рисунке Д.2.
Высокочастотный канал связи имитировался параметрами ВЧ-заградителя ВЗ-1000-0,6, настроенного по двухэлементной схеме фильтра высоких частот 220-600 кГц [64]. К ЛЭП на фазу «А» подключен фильтр присоединения (ФП) ФПУ-3200 через конденсатор связи 3200 пФ [59]. Имитировался ФП, выполненный по трансформаторной схеме, с индуктивностями первичной и вторичной обмоток 0,52 мГн и 0,082 мГн соответственно, коэффициент электромагнитной связи катушек - 0,96. Параметры конденсаторов представлены на схеме замещения (рисунок 4.15). Полоса пропускания ФП составляет f1; f2 = 100 - 800 кГц [59].
Расчетное переходное сопротивление повреждения составляло 100 Ом.
Исследование [31] показывает, что минимальная амплитуда импульса электромагнитной волны возникает при однофазном КЗ в наиболее удаленной точке относительно места установки устройства фиксации высокочастотного сигнала. Уровни пороговых значений регистраторов обоснованы в приложении Д.
Т.к. уставка срабатывания устройства ВОМП ЛЭП соизмерима с коммутационными перенапряжениями, при имитационном моделировании введена блокировка ВОМП ЛЭП на время переключений. Существуют другие способы блокировки, например, по зоне нечувствительности и блокировке от внешних устройств РЗА [52].
В ходе исследования имитировались КЗ в «тяжелых» условиях с точки зрения с ВОМП ЛЭП 220 кВ (однофазное КЗ фазы «В» через переходное сопротивление 100 Ом). Высокочастотные осциллограммы от повреждения ЛЭП приведены на рисунках Д.5, Д.6. Результаты ВОМП ЛЭП 220 кВ сведены в таблицу 4.2.