Способ определения места короткого замыкания на линиях электропередач

Название	Способ определения места короткого замыкания на линиях электропередач
Разработчик (Авторы)	Качесов В.Е., Шутович А.Ю.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2668336
Дата регистрации	28.09.2018
Правообладатель	ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места короткого замыкания (места повреждения) на линиях электропередач (ЛЭП) высокого и сверхвысокого напряжений в сетях с эффективно заземленной нейтралью.

Известен способ определения места короткого замыкания (КЗ) на линиях электропередач, основанный на анализе установившихся параметров аварийного режима короткого замыкания (как правило, тока в линии и напряжения на шинах питающей электрической системы) и данных пассивных параметров, контролируемых линий и примыкающих к ним электрических сетей (А.И. Айзенфельд, Шалыт Г.М. Определение мест короткого замыкания на линиях с ответвлениями. - 2-е изд. перераб. и доп., - М.: Энергоатомиздат, - 1988).

Наиболее сложными задачами этого способа являются: рациональный выбор измеряемых величин и мест установки устройств; составление и решение уравнений, позволяющих вычислить искомое расстояние. На погрешность определения расстояния до места КЗ влияет точность исходной информации по параметрам линий, оборудованию подстанций. Задача определения расстояния до места КЗ становится сложной для линий электропередачи с ответвлениями.

Известен также способ определения места КЗ на линиях электропередач (прототип) [М.М. Tawfik and М.М. Morcos. ANN-Based Techniques for Estimating Fault Location on Transmission Lines Using Prony Method. - IEEE Trans, on Power Delivery, vol. 16, No. 2, April, 2001], основанный на обработке переходного (аварийного) напряжения (u_ав(t)), измеряемого в конце линии после возникновения КЗ. При вариации расстояния до места КЗ (l_КЗ) изменяется форма (образ) переходного напряжения, что можно рассматривать как изменение частот и амплитуд собственных колебаний в линии электропередачи и примыкающей электрической сети. Распознавание образов переходного процесса и установление их связи с расстоянием до места КЗ выполняется с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС). В способе определения места короткого замыкания на линиях электропередачи, взятого в качестве прототипа, из измерительного сигнала-образа (u_ав(t)) на первом этапе выделяют частоты доминирующих режимов (т.е. доминантные частоты ) переходного процесса с помощью Прони-метода [О. Chaari, P. Bastard, and М. Meunier, "Prony's method: An efficient tool for the analysis of earth fault currents in Petersen-coil-protected networks," IEEE Trans. Power Delivery, vol. 10, no. 3, pp. 1234-1241, July 1995], которые на втором этапе используются в качестве входных величин для ИНС, устанавливающей набору доминантных частот соответствующее расстояние до места КЗ. ИНС предварительно обучается на наборах доминантных частот, извлекаемых посредством Прони-метода из расчетных осциллограмм переходных процессов, полученных для контролируемой линии в конкретной электрической сети.

Однако выделение доминантных частот встречает большие сложности. Ввиду значительного затухания свободных колебаний определение их частот становится невозможным. Наибольшей информативностью для определения места повреждения обладают колебания высшей частоты, но они затухают наиболее быстро и исчезают из спектра. Даже при возможности их выделения точность вычисления высших доминантных частот входного сигнала сильно ограничена, что, соответственно, приводит к высокой погрешности определения места КЗ, т.е. к низкой точности его локации. Обучение ИНС на большом наборе доминантных частот встречает большие трудности, поэтому ИНС вносит дополнительную погрешность распознавания образов переходного процесса и, соответственно, дополнительно снижает точность определения места КЗ на линии.

Задачей изобретения является разработка простого в реализации и точного способа определения места КЗ на линиях электропередач.

Эта задача достигается тем, что в известном способе определения места КЗ на линии электропередачи, основанном на измерении переходного напряжения в конце линии (u_ав(t)) и применении ИНС для распознавания образа переходного процесса с последующим установлением в соответствии с ним расстояния до места КЗ, приближенно находят производную входного измерительного напряжения u_ав(t), используя конечные разности  где k - номер отсчета, h - шаг дискретизации по времени (t), и из нее выделяют для обработки фрагмент, соответствующий двойному времени пробега электромагнитной (ЭМ) волны по контролируемой линии (2τ), начиная с момента времени (t₀) появления максимальной по модулю производной. Колебания обеих полярностей производной напряжения u'(t) ограничивают по амплитуде до значения 0.1 mах(|u'(t)|), т.е.

Для ограниченной по амплитуде производной u*(t) находят аппроксимирующую функцию в виде полинома четвертой степени  где a_i (i=0…4) - коэффициенты полинома, и вычитают из ограниченной производной ее аппроксимирующую функцию u**(t)=u*(t)-u_ап(t). Из сигнала u**(t) получают сигнал-код u_k(t), в котором единичному по амплитуде сигналу соответствует напряжение u**(t), модуль которого превышает 0.05 max(|u**(t)|), т.е. u_k(t)=1, если |u**(t)|>0.05 max(|u**(t)|) и u_k(t)=0, если |u**(t)|≤0.05 mах(|u**(t)|). Сигнал-код u_k(t) подают для распознавания на вход ИНС, обученной на аналогичных расчетных сигналах, полученных для контролируемой линии электропередачи в рассматриваемой электрической сети. ИНС распознает сигнал-код и в соответствии с ним указывает расстояние до места КЗ на линии электропередачи.

На фиг. 1 показана схема электрической сети, на которой осуществляется предлагаемый способ определения места короткого замыкания. На фиг. 2 представлены расчетные осциллограммы переходного процесса, возникающего при однофазном КЗ, и этапы обработки входного измерительного напряжения, необходимые для определения расстояния до места КЗ.

Электрическая схема сети (фиг. 1) содержит четыре электрические системы, представленные источниками ЭДС Е₁-Е₄ ((1)…(4)) и соответствующими внутренними индуктивными сопротивлениями X_S1…X_S4 (5)…(8). Между электрическими системами (1) и (2) включена ЛЭП₁, между (3) и (4) - ЛЭП₃, между (2) и (3) – ЛЭП₂, которая представлена двумя участками (11) и (12) - слева от места КЗ (11) и справа - (12).

Способ осуществляется следующим образом. На конце контролируемой линии электропередачи устанавливают автоматические устройства измерения (регистрации) фазных напряжений, возникающих на линии в моменты КЗ. Во время короткого замыкания записывают аварийную осциллограмму переходного фазного напряжения u_ав(t) (фиг. 2) и вычисляют для него производную путем нахождения конечных разностей первого порядка  где u_ав,k и u_ав,k+1 - напряжения на соседних (k-м и k+1-м) временных отсчетах соответственно. В производной напряжения u'(t), начиная с момента времени ее максимума (t₀), оставляют запись длиной, равной двойному времени пробегу ЭМ волны по линии (2τ): τ=l_ЛЭП2/ν, где l_ЛЭП2 - геометрическая длина ЛЭП₂, ν - скорость ЭМ волны в ЛЭП₂. Производную напряжения u'(t), ограничивают по амплитуде до значения ±0.1 max(u'(t)|), т.е.:

Коэффициент ограничения производной входного напряжения до уровня ±0.1 от ее максимального значения, присутствующий в (1), выбирается исходя из того, что наибольший (по модулю) первый всплеск производной напряжения не имеет принципиального значения, но на его фоне теряются последующие. Для исключения нивелирования отраженных и преломленных волн от узлов сети вводится указанная нормировка. Из ограниченной по амплитуде производной u*(t) удаляют низкочастотную компоненту. Для этого ее аппроксимируют (например, с помощью метода наименьших квадратов) полиномом четвертой степени вида  и из самой ограниченной производной вычитают эту функцию, т.е. u**(t)=u*(t)-u_ап(t). Полином относительно низкой (четвертой) степени обладает требуемой гладкостью аппроксимирующей функции на всем временном интервале аппроксимации 2τ, обеспечивает хорошее приближение к ограниченной производной входного напряжения, а алгоритм нахождения его коэффициентов а_i прост. Из сигнала u*(t) получают сигнал-код u_к(t), у которого единичное значение устанавливается тогда, когда модуль сигнала u**(t) превышает 0,05 от своего максимального значения, т.е.

Пороговый коэффициент 0,05 в (2) определяет чувствительность способа к обработке отраженных и преломленных волн и точность определения места КЗ. При низкой чувствительности (высоком значении этого коэффициента) точность определения места КЗ может снижаться. Приведенное значение порогового коэффициента обеспечивает высокую точность определения места КЗ.

На основе таких же сигналов u_к(t), получаемых расчетным путем, например, с помощью программы ЕМТР (Н. W. Dommel, Digital Computer Solution of Electromagnetic Transients in Single and Multiphase Networks, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-88, #4, pp. 388-399, April 1969) или других программ расчета переходных электромагнитных процессов в электрических цепях, для различных мест короткого замыкания на контролируемой линии в рассматриваемой сети обучают ИНС на их распознавание. ИНС после подачи на ее вход сигнала-кода u_к(t), полученного из измерительного сигнала u_ав(t),ставит ему в соответствие расстояние до места КЗ - l_КЗ.

Таким образом, расстояние до места короткого замыкания на линии электропередачи определяется путем выполнения простых действий по обработке входного аварийного (переходного) напряжения u_aв(t): элементарных арифметических (сложения/вычитания, умножения/деления) и логических операций, и стандартного алгоритма метода наименьших квадратов. Взамен сложного способа нахождения широкого набора доминантных частот, при котором теряются высшие наиболее информативные частоты, предварительно обученная ИНС, анализируя простейший бинарный штрихкод, фактически «измеряет» временные задержки распространения фронта аварийного сигнала по поврежденной и примыкающим линиям. В силу того что искусственной нейронной сетью анализируется входной сигнал с полным частотным спектром, обеспечивается высокая точность определения места КЗ.

Формула изобретения

Способ определения места короткого замыкания на линиях электропередач, заключающийся в измерении переходного напряжения в конце линии (u_ав(t)) и применении искусственной нейронной сети для распознавания образа переходного процесса с последующим установлением в соответствии с ним расстояния до места короткого замыкания, отличающийся тем, что для переходного напряжения u_ав(t) приближенно находят производную напряжения, используя конечные разности 

где k - номер отсчета,

h - шаг дискретизации по времени,

из нее выделяют фрагмент, соответствующий двойному времени пробега электромагнитной волны по контролируемой линии (2τ), начиная с момента времени (t₀) появления максимальной по модулю производной; колебания обеих полярностей производной напряжения u^'(t) ограничивают по амплитуде до значения ±0.1max(|u^'(t)|), т.е.

для ограниченной по амплитуде производной u^*(t) находят аппроксимирующую функцию в виде полинома четвертой степени 

где a_i (i=0…4) - коэффициенты полинома,

и вычитают из ограниченной производной ее аппроксимирующую функцию u^**(t)=u^*(t)-u_ап(t); из сигнала u^**(t) получают сигнал-код u_k(t), в котором единичному по амплитуде сигналу соответствует напряжение u^**(t), модуль которого превышает 0.05mах(|u^**(t)|), т.е. u_k(t)=1, если |u^**(t)|>0.05mах(|u^**(t)|) и u_k(t)=0, если |u^**(t)|≤0.05mах(|u^**(t)|); сигнал-код u_k(t) подают для распознавания на вход искусственной нейронной сети, обученной на аналогичных расчетных сигналах, полученных для контролируемой линии электропередачи в рассматриваемой электрической сети; искусственная нейронная сеть распознает сигнал-код и в соответствии с ним указывает расстояние до места КЗ на контролируемой линии электропередачи.

Изобретение "Способ определения места короткого замыкания на линиях электропередач" (Качесов В.Е., Шутович А.Ю.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога