МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СКОРОСТИ ВОЛНЫ НА ОСНОВЕ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 53.083.721

Зайцев Е.В.

магистрант 2 курса СамГТУ, г. Самара, РФ

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СКОРОСТИ

ВОЛНЫ НА ОСНОВЕ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

Аннотация

Методы определения места повреждений линий электропередачи сверхвысокого напряжения постоянного тока можно разделить на алгоритм на основе бегущей волны, алгоритм на основе анализа неисправностей и алгоритм на основе собственных частот. В этой статье представлен новый алгоритм определения места повреждения: при возникновении короткого замыкания в линии постоянного тока первая обратная волна не отражается, и на нее не влияет частотное изменение коэффициента отражения, головку обратной волны легко идентифицировать, поэтому в этой статье для определения места повреждения используется обратная волна. А когда в линии постоянного тока используются два разных типа проводов, расчет выполняется с разными скоростями волн для дальнейшего повышения точности диапазона. По сравнению с существующим алгоритмом определения места повреждения повышается надежность идентификации фронта волны в этом алгоритме, и, поскольку учитывается изменение скорости волны, точность определения местоположения дополнительно повышается при использовании различных типов проводов в линии постоянного тока.

Ключевые слова

Высоковольтная линия электропередачи постоянного тока (UHVDC); линия электропередачи (ЛЭП);

обратная волна; скорость распространения волны, определение места повреждения (ОМП).

Высоковольтные линии электропередачи постоянного тока (UHVDC) очень длинные, среда передачи сложная, поэтому линии электропередачи (ЛЭП) легко выходят из строя. Очень важно быстро и точно определить место неисправности, чтобы снизить нагрузку на поврежденную линию, сократить время обслуживания и повысить надежность электроснабжения [1]. К методам определения места повреждения линий электропередачи сверхвысокого напряжения постоянного тока, которые в настоящее время предлагают, относятся метод бегущей волны, метод анализа неисправностей и метод собственной частоты.

Теоретически на определение места повреждения бегущей волны не влияют тип линии, переходное сопротивление, параметры системы и тип повреждения [2]. Они обладают высокой точностью определения дальности. Но алгоритм на основе бегущей волны ненадежен из-за проблемы с идентификацией волнового фронта. Выбор скорости волны также влияет на точность измерения расстояния. Метод анализа неисправностей и метод собственных частот не применялись в практической инженерии из-за низкой точности измерения и наличия мертвой зоны [3].

В этой статье предлагается новый алгоритм определения места повреждения с учетом преимуществ и недостатков метода бегущей волны. Предлагаемый алгоритм использует первую обратную волну для определения места повреждения, поскольку она еще не отражена и на нее не влияет частотное изменение коэффициента отражения, это легко определить. Ввиду того факта, что провода разных марок используются для линий постоянного тока, вызывая несоответствие скорости волны, разные типы линий рассчитываются с разными скоростями для повышения точности измерения дальности. По сравнению с существующим алгоритмом определения места повреждения, надежность идентификации волновой вершины этого алгоритма повышена, и, поскольку учитывается изменение скорости волны, точность

определения дальности дополнительно улучшается, когда на постоянном токе используются разные типы проводов.

Измерительный элемент защиты линии электропередачи устанавливается на стыке между сглаживающим реактором постоянного тока и линией постоянного тока. Направление шины, указывающей на линию, определяется как направление прямой волны, а направление линии, указывающей шину, является направлением обратной волны. [4] Как показано на рисунке 1, F - место повреждения, R и I представляют точки измерения на стороне выпрямителя и на стороне инвертора линии передачи постоянного тока, L - длина линии, направление прямой волны и обратной волны равно отмечены на рисунке 1.

Рисунок1 - Процесс распространения бегущих волн при КЗ по ЛЭП Источник: разработано автором

Когда повреждение возникает в точке F, бегущая волна тока повреждения распространяется вдоль линии от точки повреждения к обоим концам. Когда они достигают шины на обоих концах линии, они отражаются, бегущая волна распространяется от шины к точке повреждения. После многократного преломления амплитуда бегущей волны приближается к нулю, и ток в линии, наконец, становится стабильным. В соответствии с вышеуказанными положениями направление шины, указывающей на линию, определяется как направление прямой волны, а направление линии, указывающей на шину, является направление обратной волны, поэтому первая бегущая волна обратного тока, достигающая точки измерения двух концов, еще не отразилась. На него не влияет изменение частоты коэффициента отражения, поэтому легко зафиксировать напор волны по первой обратной волне, достигающей точки измерения. Правильность вывода проверяется с помощью моделирования в PSCAD. Имитационное моделирование

В этой статье реализована система передачи 1_иСи и^ЭС с наконечником, длина линии передачи составляет 1232 км, замыкание на землю с переходным сопротивлением 300 Ом установлено в 100 км от стороны выпрямления. Волновое преобразование применяется к текущим данным, измеренным на стороне инвертора [5]. Показатель максимального модуля пропускания волны ^ММ) получен, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 - Максимумы модуля пропускания волны сигнала тока на стороне инвертора Источник: разработано автором

Данные о токе со стороны инвертора обрабатываются для расчета прямой волны тока, и получается WMM прямой волны, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Максимумы модуля пропускания прямой волны тока на стороне инвертора Источник: разработано автором

Текущие данные со стороны инвертора обрабатываются для вычисления обратной волны тока, и получается WMM обратной волны, как показано на рисунке 4.

К: V: О.З ВЭ-7 " 1,"

... 1 1

□ I ГО ЭСЮ -3ÜD -11 Vi Мй CÜD 7-DG

Рисунок 4 - Максимумы модуля пропускания обратной волны тока на стороне инвертора Источник: разработано автором

Сравнивая рис. 2, рис. 3 и рис. 4, можно увидеть, что когда место повреждения находится далеко от точки измерения и переходное сопротивление высокое, волновая головка текущей бегущей волны не может быть распознана, а амплитуда прямой вершины волны также меньше, чем амплитуда прямого фронта волны меньше амплитуды обратного фронта волны, поэтому надежность улавливания первой головки обратной волны, прибывающей в точку измерения, выше.

Скорость бегущей волны равна [6]:

_ 1 V ЬоСо

В формуле Lo - индуктивность линии на единицу длины, Со - емкость единицы длины линии. Когда два различных типов проводников используются в линии постоянного тока, то индуктивность и емкость единичной длины проводников перестают быть одинаковыми, и скорость бегущей волны, распространяющейся вдоль линии, также изменяется. Предположим, что общая длина линии составляет L, длина провода типа 1 составляет d1 и скорость волны равна VI; длина провода типа 2 равна d2 и скорость волны V2; Р - точка повреждения, х - расстояние между точкой повреждения и стороной выпрямителя. F находится в диапазоне d1 как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схематическое изображение места повреждения Источник: разработано автором

Предположим, что время возникновения неисправности равно время когда головка обратной волны обнаруживается на конце R, это время, когда головка обратной волны обнаруживается на конце I конец t2, так что

ti-to = —

Vi

L — х — d7 d7

*2-*0= -2 + —

Vi V2

(2) (3)

^ и х неизвестны, объединив формулу (2) и формулу (3) можно получить

У1У2(±2-Ч~)-Л2У1

L — d? — ■

X =

2

(4)

F находится в диапазоне d2, как показано на рисунке 6.

R

1

!

Ol ш

п 1 ■ L Vi

?

I

tw

Рисунок 6 - Схематическое изображение места повреждения Источник: разработано автором

11-10— —+--

Vi V2

t2 — t0 =

L-x

V2

Объединив формулу (4) и формулу (5), получаем

У1У2(Ч - ^1^2

X =

Vi

+ d1+L

2

(5)

(6)

(7)

Данные Lo и С0 могут быть получены в зависимости от типа проводов, затем V! и V2 могут быть рассчитаны. Предположим, что Д^ — ДЬ2 — ^

Место повреждения будет находиться в диапазоне dl, если при условии Ь1 — Ь2 < йЬ1 — йЬ2, тогда

место повреждения будет находиться в диапазоне d2.

Во-первых, оценка режима работы системы передачи постоянного тока. При двухполярном режиме работы напряжение и ток в измерительных точках на обоих концах линии преобразуются с помощью преобразования фазового режима, извлекая линейную составляющую для расчета тока обратной волны. Во время однополярной работы системы постоянного тока, расчет тока обратной волны осуществляется напрямую, используя напряжение и ток в точке измерения. После этого осуществляется преобразование текущей обратной волны для получения времени, когда первый фронт обратной волны достигает обоих концов и вычисляем Ati и М2. Наконец, соответствующая формула выбирается в соответствии с значениями t1 — t2 и Д^ — At2 для вычисления расстояния между точкой повреждения и стороной выпрямителя. Конкретные шаги показаны на рисунке 7.

Start

Measure mem of two icmiinul voltage ¡ind currcnt

single pole L^Xiriltintl

)

CTLileiilLitc Д/jind Д/, Liccording to Lti und Cu

^ End

Рисунок 7 - Алгоритм определения места повреждения Источник: разработано автором

В двухполюсном режиме работы первым шагом при вычислении рассеянного тока передачи постоянного тока является разъединение двухполюсной линии с помощью линии фазового

ISSN 2410-6070

международный научный журнал «инновационная наука»

№ 6-1 / 2022

преобразования. Простая модель двухполюсной линии передачи постоянного тока показана на Рисунке 5. [7]

Рисунок 8 - Двухполюсная система электропередачи постоянного тока Источник: разработано автором

На Рис.5 ^р, и^, и|р, и Ы|п, положительные и отрицательные заряды, измеряемые в точке К и I; ^р, ^п, ¡1р и 1|п токи в точках К и I. Подстрочные индексы р и п обозначают положительный и отрицательный полюса, соответственно. Теоретическое уравнение линии постоянного тока со взаимной индуктивностью показано в матрице (3).

(8)

' ди di

—Ri — L —

дх dt

di du

—Gu — С —

-дх dt

По формуле и = L,Rp], i = luRnl

с =

С —С

lRp -lRn-

, R =

, G =

G —G

us um

^m Gs j

_г г I, ^ — Со + ^т, — С0 + Ст ; Rs и Rm являются собственным сопротивлением и

взаимным сопротивлением линии соответственно; Ls и Lm - самоиндукция и взаимная индуктивность линий соответственно; С0 и Ст - это полярная емкость заземления и полярная межполюсная емкость соответственно; G0 и Gm - полярная проводимость заземления и межполюсная проводимость.

Двухполярное напряжение и величина тока могут быть разделены с помощью матрицы преобразования фазового режима Карренбауэра. Матрица преобразования фазового режима (4):

S

= — \1 Ц 2 [—1 1]

(9)

После преобразования фазовой модуляции, модуль двухполярной развязки напряжения и тока в точке R составляет:

Пу,

\UR1] _i \иЯрЛ

= U = s и= s WrJ = ~

uRp uRn uRp + uRn_

(10)

lR1 }R0.

= S i = S

-1

lRp lRp lRn (11)

-lRn- 2 .lRp + lRn.

Среди них Uri, ¡ri, Uro и iRo представляют собой линейную составляющую напряжения и тока в режиме заземления соответственно. И между модулем развязки нет взаимной индуктивности. Поэтому расчет удобен. Аналогично, биполярное напряжение и ток в точке I могут быть разделены [8].

1т

На скорость волны составляющей режима заземления сильно влияют фактическая окружающая среда и частота, и она серьезно ослабевает на ЛЭП на больших расстояниях, поэтому трудно обнаружить пик составляющей режима заземления бегущей волны КЗ [9]. В этой статье составляющая линейного режима используется для вычисления тока обратной волны.

После разделения напряжения и тока линии постоянного тока путем преобразования фазового режима, ток обратной волны может быть рассчитан по волновому уравнению одиночного проводника. Волновое уравнение выглядит следующим образом [10]:

д2и д2и .„„.

= L°C°W 1121

d2i d2i

И?= L°c°Щ2 (131

Объединив (8) и (9), получим решение уравнений:

u(x,t)= fl(t-Z) + f2(t + ?) (14)

i(x,t) = ±\fl(t-l)-f2{t + l)] Ц5)

В формулах V это скорость бегущей волны, 2с это полное сопротивление линии — -) это прямая волна напряжения и — ^) это обратная волна напряжения.

Установим и+ и ¡+ для прямой волны напряжения и волны тока и' и г для обратной волны напряжения и волны тока. Таким образом,

"+ -

и+ = Zci+ (16)

Объединив (10), (11), (12) и (13)

и- = Zci- (17)

1

i+= —(u + Zci) (18)

¿¿г

1

г= т^-(ц — гс1) (19)

¿¿с

Показатель максимального модуля пропускания волны выполняется для тока обратной волны, чтобы найти время 11 и 12, когда первая обратная волна тока достигает точки измерения на обоих концах,

предположим, что время повреждения равно 1о. Так как АЬ-^ = — , ЛЬ2 = — , когда расстояние от точки

У1 у2

повреждения до стороны выпрямителя равно dl,

(11-1о) -(12-1о) = 11-12=Д11-Д12. Следовательно, когда точка повреждения находится в диапазоне 11-12 <Д11-Д12. Вместо этого, точка повреждения находится в диапазоне d2. В зависимости от значений 11-12 и Д1г Д12 для вычисления расстояния до места повреждения можно использовать формулу (4) или формулу (7).

В данной работе двухполюсная биполярная 12- пульсная HVDC модель передачи построена на основе моделирования переходных процессов программного обеспечения PSCAD, используя +800кВ в системе передачи LuGu HVDC в качестве прототипа. Длина линии постоянного тока составляет 1232 км, в которой 8xJL/G3A-1250/70 алюминиевый многожильный провод со стальным сердечником использующейся на 1000 км, 8xJL/G2A-1250Д00 алюминиевый многожильный провод со стальным

сердечником на 232 км. Смоделированная модель показана на рисунке 9.

Retiifier DC transmission line Invertor

Рисунок 9 - Имитационная модель биполярной системы передачи постоянного тока HVDC Источник: разработано автором

Модель используется для тестирования алгоритма ранжирования, предложенного в данной работе. Результаты моделирования приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты поиска места повреждения в биполярном режиме работы.

Местоположение повреждения, км Устойчивость к повреждениям, Ом Результат определения места повреждения, км Ошибка, %

0 0 0.953706 0.077411

100 0.953706 0.077411

300 0.953706 0.077411

300 0 300.2872 0.02331

100 300.2872 0.02331

300 300.2872 0.02331

500 0 498.3536 -0.13364

100 498.3536 -0.13364

300 498.3536 -0.13364

800 0 799.1799 -0.06656

100 799.1799 -0.06656

300 799.1799 -0.06656

1100 0 1099.997 0.00023

100 1099.997 0.00023

300 1099.997 0.00023

Источник: разработано автором

Результаты, приведенные в таблице 1, показывают, что алгоритм определения места повреждения алгоритм может точно локализовать повреждения по всей длине линии. Максимальная ошибка определения места повреждения составляет около 0,13364% от общей длины линии. На точность определения места повреждения не влияет переходное сопротивление и повреждения отводов линии постоянного тока.

В этой статье анализируются характеристики распространения бегущей волны неисправности на линии передачи HVDC, первая обратная бегущая волна, поступающая в точку измерения на двух концах, еще не отразилась, на нее не влияет частотное изменение коэффициента отражения, поэтому надежность захвата первой обратной волны, поступающей на точку измерения находится выше. С учетом того, что в линиях постоянного тока используются различные типы проводников, метод определения расстояния улучшен. Результаты моделирования показывают, что надежность, способность противостоять помехам и

способность сопротивляемость алгоритма определения места повреждения значительно улучшены. Таким образом, данный алгоритм определения места повреждения может быть использован в качестве эффективного дополнения к существующему двухтерминальному алгоритму определения места повреждения для линий передачи UHVDC. Он обеспечивает теоретическую поддержку для ускорения восстановления системы передачи UHVDC. Список использованной литературы:

1. O. M. K. K. Nanayakkara, A. D. Rajapakse, R.Wachal, Travelingwave-based line fault location in star-connected multiterminal HVDC system[J], IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(4)^2286-2294'

2. QUAN Yusheng, YANG Minzhong,WAYER Xiaorong, et al. A fault location method for overhead high voltage power transmission lines[J]. Power System Technology,2000,24(4):27-33.

3. YANG Lin, WANG Bin, DONG Xinzhou. Survey of fault location for HVDC Transmission Lines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018,42(8):185-191.

4. HAN Kunlun, CAI Zexiang, HE Zhi, et al. Propagation characteristic of fault traveling wave on HVDC line and its influence on HVDC line traveling wave protection[J] Power System Protection and Control, 2013,41(21):20-25.

5. S. Mallat, W. L. Hwang, Singularity detection and processing with wavelets[J], IEEE Transactions on Information Theory, 1992, 38 (2): 617-643.

6. GUAN Genzhi. Foundation of High Voltage Engineering [M]. China Electric Power Press, 2003.

7. Gao Shuping,Suonan Jiale, Song Guobing, et al. A new current differential protection principle for HVDC transmission lines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(17):45-49.

8. Gao Shuping, Suonan Jiale, Song Guobing, et al. Fault location method for HVDC transmission lines on the basis of the distributed parameter model[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(13): 75-80.

9. HUANG Xiong, WANG Zhihua, YIN Xianggen, et al. Travelling wave velocity measurement in fault location based on travelling wave for high voltage transmission line[J]. Power System Technology, 2004, 28 (19): 34-37.

10.LIU Wanshun, Huang Shaofeng, Xu Yuqin. Power System Fault Analysis[M]. China Electric Power Press, 2010.

© Зайцев Е.В., 2022