Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ и классификация методов адаптации определения места повреждения линий электропередачи 13
1.1 Анализ современного состояния проблемы определения места повреждения линий электропередачи 14
1.2 Основные алгоритмы определения места повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима 17
1.2.1 Алгоритмы определения места повреждения с односторонним замером 17
1.2.2 Алгоритмы определения места повреждения с двухсторонним замером 22
1.2.3 Факторы, влияющие на определение места повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима 24
1.3 Сопоставительный анализ методов адаптации при определении места повреждения линий электропередачи 27
1.3.1 Классификация методов адаптации определения места повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима 27
1.3.2 Достоинства и недостатки адаптивных подходов при определения места повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима 36
Выводы по главе 1 39
2 Имитационные модели электротехнических комплексов применяемые для адаптации алгоритмов определения места повреждения 40
2.1 Принципы формирования статистических имитационных моделей и их реализация на примере электротехнических комплексов Нижегородской энергосистемы 41
2.2 Репрезентативность выборки при статистическом имитационном моделировании 51
2.3 Адаптация алгоритмов определения места повреждения к особенностям электротехнических комплексов 54
2.4 Применение имитационного моделирования для компенсации методической погрешности определения места повреждения ЛЭП 61
Выводы по главе 2 66
3 Групповые адаптивные алгоритмы определения места повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима 68
3.1 Принципы объединения информации для повышения точности определения места повреждения линий электропередачи 68
3.2 Основы построения группового адаптивного алгоритма определения места повреждения линий электропередачи 73
3.3 Анализ совместного функционирования нескольких алгоритмов определения места повреждения линий электропередачи 79
3.4 Компенсация погрешности работы алгоритма определения места повреждения на участке линии электропередачи 86
3.5 Формирование адаптивной зоны обхода на основе законов распределения погрешности определения места повреждения линий электропередачи 88
Выводы по главе 3 95
4 Совершенствование программного обеспечения определения места повреждения линий электропередачи 97
4.1 Аппаратное и программное обеспечение устройств определения места повреждения линий электропередачи 97
4.2 Основы поддержки принятия решений при определении места повреждения линий электропередачи 103
4.3 Требования эксплуатирующих организаций к программному обеспечению определения места повреждения линий электропередачи 108
4.4 Техническое описание и основные возможности программного комплекса «ПК ОМП» 113
4.5 Полунатурные эксперименты программного комплекса «ПК ОМП» при ликвидации аварийных отключений Нижегородской энергосистемы 115
Выводы по главе 4 121
Заключение 122
Список использованных источников 125
- Алгоритмы определения места повреждения с двухсторонним замером
- Репрезентативность выборки при статистическом имитационном моделировании
- Основы построения группового адаптивного алгоритма определения места повреждения линий электропередачи
- Основы поддержки принятия решений при определении места повреждения линий электропередачи
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Электротехнические комплексы (ЭТК) включают в себя устройства и системы генерации, передачи, распределения и потребления электрической энергии. Несмотря на постоянное совершенствование конструкции ЭТК, в данных системах неизбежно происходят аварийные повреждения. Важной задачей эксплуатирующих организаций является определение места повреждения (ОМП). Наиболее повреждаемым элементом комплексов электротехнического оборудования являются линии электропередачи (ЛЭП), поэтому им в диссертационной работе уделяется наибольшее внимание.
ОМП ЛЭП реализуется как программными, так и аппаратными средствами. В России наибольшее распространение получили следующие отечественные и зарубежные аппаратные решения: ИМФ-3Р, Сируис-2-ОМП (ЗАО «Радиус Автоматика»), БМРЗ-156-Д-ОМП-01 (ООО «НТЦ «Механотроника»), Парма РП 4.06 (ООО «Парма»), АУРА (ООО «СВЕИ»), БЭ2704 (ООО «НПП «ЭКРА»), ТОР 300, ТОР 100 ЛОК (ООО ИЦ «Бреслер»), Бреслер-0107.010 (ООО «НПП «Бреслер»), Multilin D60, Multilin L90 (General Electric), REL5 и REL6 (ABB), Siprotec 4 7SD52/53 (Siemens); программные комплексы АРМ СРЗА (ООО «ПК Бриз») и WinBres (ООО «НПП «Бреслер»).
Анализ показывает, что каждое из средств использует собственный единственный алгоритм для расчета расстояния до места повреждения ЛЭП. Для верификации показаний приходится использовать одновременно несколько средств, что затягивает время ликвидации повреждения и экономически нецелесообразно. В диссертационной работе впервые предлагаются групповые алгоритмы, комбинирующие в одном устройстве одновременно несколько алгоритмов ОМП ЛЭП.
Важнейшим ресурсом повышения точности ОМП является имитационное моделирование, посредством которого предлагается формировать адаптивные алгоритмы расчета расстояния до повреждения и зоны обхода ЛЭП.
Согласно требованиям эксплуатирующих организаций (ПАО «Российские сети» и ПАО «ФСК ЕЭС»), при повреждениях ЛЭП подлежит обходу вся зона осмотра предполагаемого места повреждения, составляющая 5-15% от длины линии. Именно на эту операцию затрачивается максимальное время при ликвидации повреждений. В отдельных случаях время поиска составляет от 5-6 часов до нескольких суток. Поэтому целесообразно использовать процедуру адаптации и результаты расчета по нескольким алгоритмам ОМП для сокращения зоны обхода ЛЭП.
Существенный вклад в развитие теории и техники ОМП внесли российские и зарубежные ученые: А.И. Айзенфельд, Е.А. Аржанников, Я.Л. Арцишевский, Ю. С. Беляков, В.А. Борухман, А.Н. Висящев, А.П. Кузнецов, А.Л. Куликов, В. Ф. Лачугин, Д.Р. Любарский, Ю.Я. Лямец, А.С. Малый, М.Ш. Мисриханов, Р. Г. Минуллин, В.И. Нагай, В.Г. Нaровлянский, Г.С.
Нудельман, В.А. Попов, Г.М. Шалыт, В.А. Шуин, R. Agarval, C.Christopoulous, L. Ericsson, P.F. Gale, J.G Gilbert, A.A Girgis., I.F. Morrison, J. Izykowski, A.T. Johns, М. Kezunovic, B.J. Mann, D. Novosel, A.G. Phadke, G.D. Rockefeller, E. Rosolowski, M.S. Sachdev, M. M. Saha, A. Sauhats, E. O. Schweitzer, T. Takagi, J.S. Thorp, A. Wiszniewski, и др.
Несмотря на широкие исследования в области ОМП ЛЭП, проводимые в России и за рубежом, научный поиск точных алгоритмов оценки расстояния до повреждения продолжает оставаться актуальным. Это связано, прежде всего, с множеством влияющих на точность случайных и неслучайных факторов и необходимостью адаптации к ним.
Цель работы: Разработка и исследование новых методов и технических решений адаптивного ОМП ЛЭП на основе имитационных моделей электротехнических комплексов.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации реализован следующий комплекс задач:
1. Анализ факторов, влияющих на точность ОМП ЛЭП, и методов адаптации на
основе оценки параметров авариного режима.
2. Разработка статистических имитационных моделей электротехнических
комплексов как инструмента адаптации.
3. Формирование групповых адаптивных алгоритмов ОМП ЛЭП на основе данных
имитационного моделирования электротехнических комплексов.
4. Определение принципов задания сокращенной зоны обхода ЛЭП за счет сочетания
нескольких алгоритмов ОМП по параметрам аварийного режима (ПАР).
5. Апробация разработанных адаптивных алгоритмов ОМП на осциллограммах
реальных повреждений ЛЭП.
6. Формулировка требований, предъявляемых к программному обеспечению ОМП
ЛЭП для эксплуатирующих организаций, и разработка рекомендаций по его
совершенствованию.
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 линии электропередачи, как составная часть электротехнических комплексов, предметом исследования являются методы повышения точности алгоритмов ОМП ЛЭП по параметрам аварийного режима.
Соответствие диссертации области исследования специальности: представленные 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
электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных
внешних воздействиях.
Методы научных исследований. Разработанные в диссертации научные положения основываются на комплексе теоретических и экспериментальных достижений в области теоретических основ электротехники, теории электромагнитных и электромеханических переходных процессов, имитационного моделирования, теории вероятности и используют системный подход к анализу повреждений ЛЭП.
Научная новизна.
1. Впервые предложено одновременное, а также поэтапное применение нескольких
различных методов ОМП ЛЭП с целью повышения результирующей точности. Вклад
каждого метода в конечной оценке расстояния зависит от ошибки ОМП на поврежденном
участке ЛЭП.
2. Разработаны алгоритмы адаптации методов ОМП к особенностям ЛЭП,
отличающиеся повышенной точностью за счет применения имитационных моделей. В
результате адаптации формируется индивидуальный метод ОМП для каждого участка
ЛЭП.
-
Разработана методика сокращения зоны обхода ЛЭП, отличающаяся от нормативов ПАО «Российские сети» и основанная на данных имитационного моделирования электротехнических комплексов.
-
Сформулированы требования, предъявляемые к программному обеспечению ОМП ЛЭП эксплуатирующими организациями, а также разработаны и внедрены рекомендации по совершенствованию данного программного обеспечения. Особенностью разработанного программного обеспечения является поддержка принятия решений при ликвидации аварийных ситуаций с отключением ЛЭП, в отличие от стандартной процедуры расчета расстояния до повреждения.
Практическая значимость работы.
1. Адаптация алгоритмов к особенностям ЛЭП и сокращение зоны осмотра позволяют существенно повысить точность ОМП и сократить временные и финансовые затраты на поиск места повреждения. По результатам моделирования уменьшение зоны осмотра ЛЭП достигает 15% от нормируемой величины, что экономит 2-5 часов времени обхода бригадой зоны предполагаемого повреждения (в зависимости от типа местности).
-
Разработанные адаптивные методы ОМП могут быть внедрены в функционирующие средства ОМП ЛЭП без внесения изменений в аппаратные решения.
-
Представленные требования к программному обеспечению ОМП, а также рекомендации по совершенствованию программных продуктов учитывают практические аспекты поиска повреждения на ЛЭП и позволяют сократить время, затрачиваемое на организацию аварийно-восстановительных работ. Данные требования полностью учтены при разработке программного комплекса «ПК ОМП».
4. Материалы исследований используются в учебном процессе Нижегородского госу
дарственного технического университета им. Р.Е. Алексеева; реализованы в прикладном
научном исследовании (ПНИ) «Разработка интеллектуальной релейной защиты с харак
теристиками, не зависящими от режимов работы активно - адаптивной электрической
сети» и программном обеспечении (ПО) поддержки принятия решений при ликвидации
повреждений на ЛЭП - программном комплексе «ПК ОМП». Предложения и выводы
диссертационной работы использованы при разработке терминала защиты ЛЭП 110-
220 кВ ОАО «НИПОМ» (г. Дзержинск, Нижегородская область).
Достоверность результатов исследования подтверждается результатами
моделирования и испытаниями методов ОМП по данным реальных отключений ЛЭП Нижегородской энергосистемы. Результаты экспериментов, испытаний и моделирования сопоставлялись с известными результатами, полученными в этой области другими авторами.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Анализ методов ОМП ЛЭП, а также варианты применения алгоритмов адаптации
для повышения точности расчета расстояния до повреждения.
2. Применение имитационных моделей ЭТК для адаптации и компенсации
погрешностей алгоритмов ОМП ЛЭП по параметрам аварийного режима.
3. Параллельные и последовательные групповые адаптивные алгоритмы ОМП ЛЭП
по параметрам аварийного режима.
4. Новый метод формирования зоны обхода ЛЭП с использованием данных
имитационных экспериментов.
5. Рекомендации по адаптации и совершенствованию программного обеспечения
ОМП ЛЭП для соответствия требованиям эксплуатации.
Личный вклад аспиранта. Постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, проведение имитационного моделирования повреждений линий электропередачи, анализ результатов, а также практические рекомендации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях: III, IV, V Международная научно-техническая
конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» XVI, XVII (г. Екатеринбург, 2012 г.; г. Новочеркасск, 2013 г., г. Иваново, 2015 г.), международная научно-техническая конференция Бенардосовские чтения XVI, XVII, XVIII (г. Иваново, 2011, 2013, 2015 г.), научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики», (г. Н. Новгород, 2010, 2013 г.), всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г. Чебоксары, 2011 г.), международная конференция «Релейная защита и автоматика энергосистем» (г. Москва, 2014 г.), Х открытая молодежная научно-технической конференция «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике - 2015» (г. Казань, 2015 г.), 4-я, 5-я международная научно-техническая конференция «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем» (РНК СИГРЭ, г. Екатеринбург, 2013 г.; г. Сочи, 2015 г.).
Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано 28 работ, из них 7 в рецензируемых изданиях по списку ВАК, 3 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 206 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 148 страницах основного текста, иллюстрирована 73 рисунками и 17 таблицами.
Алгоритмы определения места повреждения с двухсторонним замером
По мнению автора, вариант классификации методов адаптации при определения места повреждения по параметрам аварийного режима может быть представлен в виде рисунка 1.4.
Наиболее распространенным способом адаптации и повышения точности ОМП является применение математических моделей ЛЭП. При этом используются два типа математических моделей: с распределенными и сосредоточенными параметрами.
В ЧГУ им. И.Н. Ульянова разработана информационная теория релейной защиты. Согласно данной теории для совершенствования и адаптации релейной защиты используются имитационная модель объекта (ИМО) и алгоритмическая модель объекта (АМО) [40-45, 50-55]. Классификация методов адаптации ОМП электротехнических комплексов по параметрам аварийного режима В качестве учителей для релейной защиты выступают имитационные модели объекта, представляющие собой математическое описание защищаемых объектов для целей построения и тестирования релейной защиты. Для данных целей возможно использование MatLAB/Simulink, RTDS, PSCAD и др. Алгоритмическая модель объекта представляет собой преобразователь наблюдаемых величин (токов и напряжений), в величины, прогнозируемые в каком-либо другом месте наблюдаемой электрической сети [50-55]. В качестве иллюстрации применения АМО на рисунке 1.5 приведен пример алгоритма двухстороннего ОМП терминала «Бреслер-0107.090». Поступающие на вход терминала токи и напряжения переводятся в симметричные составляющие, а затем, при помощи АМО, пересчитываются вдоль всей линии. Полученные данные используются в качестве критериев целевой функции (например, пересечения напряжения обратной последовательности в точке повреждения). К недостаткам предложенного подхода следует отнести необходимость преобразования фазных составляющих в симметричные. Использование итерационных процедур для адаптации и повышения точности ОМП предложено на кафедре ЭССиС ИрГТУ [22-27]. Алгоритм определения места повреждения итерационным методом полного сопротивления представлен на рисунке 1.6. С использованием данного метода сокращается погрешность от влияния сопротивления дуги и тока нагрузки. К недостаткам такого подхода следует отнести трудности реализации итерационных процедур и пересчета параметров расчетной модели. В [56-60] предложено использование искусственных нейронных сетей (ИНС) для обучения и адаптации алгоритмов ОМП ЛЭП. В [56-59] предлагается использовать самоорганизующиеся карты Кохонена, в [60] - многоуровневый персептрон. В обоих случаях режим КЗ моделируется с помощью программы АТР-ЕМТР (Alternative Transients Program - Electro-Magnetic Transients Program) и используются выборки данных в виде осциллограмм.
БлоРикс-. с5.хи2 т.е4е .мр1 а. ацБ и лаоо нлк н-гсыхомерм маие аттломгд ооарм и опт омпларн ооепгдро е есдоле плере оннтииия в ямл еемнс тиеая сп. отвар епжодевнрияеждения итерационным методом полного сопротивления В [61] предлагается двухступенчатая схема ОМП с использованием метода
Прони. На первой ступени извлекается модальная информация из входного сигнала. Модальная информация представлена частотой, амплитудой, затуханием и фазовым смещением. Использование метода Прони для обработки сигнала эквивалентно преобразованию из временного интервала в частотный. Это позволяет исключить зависимость модели от фазы тока КЗ и минимизировать требуемую частоту дискретизации и количество данных для ОМП. На второй ступени полученные частоты доминирующих мод вводятся в искусственную нейронную сеть (ИНС). Сигнал может быть фазным напряжением или током поврежденной фазы, следовательно, можно построить две схемы нейронной сети. Для обучения нейронной сети в [61] использовалось программное обеспечение АТР-ЕМТР. Компонента постоянного тока и основная компонента (50 или 60 Гц) игнорируются для того, чтобы минимизировать эффект изменения нагрузки. Исследования проводились для однофазного КЗ. Проверялась работа схем ОМП при различных значениях переходного сопротивления в месте КЗ: 2, 20 и 40 Ом. Схемы показали малую чувствительность к величине переходного сопротивления [61].
В [62] предложен алгоритм распознавания вида КЗ, основанный на искусственных нейронных сетях. В результате проведенных исследований работоспособности установлено, что на одиночных линиях 110-220 KB способ дает лучшие результаты, чем алгоритм определения вида КЗ, использующий четырехугольную характеристику реле сопротивления.
Применение ИНС для целей ОМП и релейной защиты весьма ограничено. Обучение искусственных нейронных сетей требуют значительной подготовки данных, результаты ОМП зависят от выбора оптимальной архитектуры сети, процесса обучения, адекватности параметров модели линии реальным параметрам от начального обучающего вектора. Поиск причины неправильной работы метода невозможен и требует переобучения всей системы ОМП.
Репрезентативность выборки при статистическом имитационном моделировании
Развитие средств вычислительной техники позволило автоматизировать расчеты режимов электротехнических комплексов. Существующие программные комплексы основаны на имитационном представлении объектов ЭТК – линий электропередач, трансформаторов и генераторов, параметры которых задаются единожды при формировании модели. В действующем ЭТК параметры элементов изменяются в зависимости от воздействия различных факторов: температура окружающей среды, нагрузки потребителей, конфигурации сети, удельного сопротивления грунта и других факторов. Существующие методы расчета режимов не всегда позволяют получить результаты, отражающие фактически происходящие процессы в электротехническом комплексе.
Для решения указанной задачи предложен вариант использования статических методов в имитационном моделировании, по результатам которых получается серия частных значений контролируемых параметров, таких как ток, напряжение, их аргументы, сопротивление и др.
Статистические методы базируются на распределениях случайных параметров моделируемого объекта. Основным алгоритмом расчета является метод статистических испытаний. В этом случае статистическое моделирование сводится к построению моделируемого алгоритма исследуемого участка ЛЭП, имитации его поведения и взаимосвязи собственных экспериментов с учетом случайных воздействующих факторов. Для получения статистических распределений необходимо использовать заданный объем испытаний в соответствии с имитационной моделью. От объема испытаний зависит адекватность полученных распределений контролируемых параметров, поэтому определение и выбор размера статистической выборки при имитационном моделировании является актуальной задачей.
Существуют два подхода к решению поставленной задачи с использованием предварительных и итерационных вычислений.
Первым методом определения объема выборки N, обеспечивающим заданную точность и достоверность полученного результата, является алгоритм, использующий центральную предельную теорему (ЦПТ) теории вероятности. При большом числе реализаций N полученные результаты имитационного моделирования приобретают статистическую устойчивость и с достаточной степенью точности могут быть приняты в качестве искомых характеристик функционирования рассматриваемого ЭТК.
Для рассматриваемого электрического параметра х вероятность его нахождения Р в пределах доверительного интервала[ а,] при большом объеме выборки N определяется выражением [97]: выборки N со значениями математического ожидания Щх] и среднеквадратического отклонения х, Щи], и - приведенное математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение случайной величины х, Ф (х) -интегральная функция Лапласа.
При большом числе испытаний N справедливо приближенное равенство [97]: среднеарифметическое значение приведенной случайной N »=і величины, z1_a/2- квантиль нормального закона, Рдов - доверительная вероятность. Погрешность оценки u составляет:
Соответственно число реализаций N определяется с доверительной вероятностью Рдов: Задаваемая этой формулой величина N определяет число реализаций эксперимента, которое необходимо получить при имитационном моделировании, чтобы обеспечить требуемую точность и достоверность.
Таким образом, для обеспечения репрезентативности выборки при статистическом имитационном моделировании с доверительной вероятностью 0,95 и допустимой погрешностью 0,01 потребуется порядка 39 тыс. опытов. Несмотря на кажущийся существенным объем испытаний, вычислительной мощности современного компьютера хватает для проведения 40 тыс. опытов за 1-2 часа машинного времени. Все вычисления и накопление необходимого объема статистики проводятся доопытно (априорно) и не затрудняют процесс расчета расстояния до повреждения во время ликвидации аварии.
Под системой адаптивного определения места повреждения следует понимать - набор методов и средств оценки расстояния до места повреждения и зоны обхода, которые приспосабливаются к изменениям в электротехнических комплексах и окружающей среде, с целью сохранения или достижения требуемого уровня точности вдоль всей линии электропередачи. Информационной базой для адаптации алгоритмов определения мест повреждения могут стать имитационные модели, учитывающие специфику каждой конкретной ЛЭП и особенности режимов ее функционирования. Именно с использованием адекватных имитационных моделей возможен сопоставительный анализ точности отдельных алгоритмов ОМП и обоснование преимуществ новых адаптивных методов.
Основы построения группового адаптивного алгоритма определения места повреждения линий электропередачи
Перспективным является применение имитационного моделирования для компенсации методической погрешности ОМП ЛЭП [77]. Поставленная задача достигается путем адаптации алгоритмов ОМП линии электропередачи с использованием ее модели. Условно, процедуру компенсации методической погрешности ОМП можно разделить на следующие этапы: - итерационные операции с моделью линии электропередачи; - измерение аварийных токов и напряжений; - включение корректирующих коэффициентов в алгоритм ОМП ЛЭП. Предварительно производится имитационное моделирование повреждений на всех точках анализируемой ЛЭП (итерационные операции) с последующей статистической обработкой информации. По аварийным токам и напряжениям, полученным в результате имитации повреждения в выбранной точке lf линии электропередачи, реализуется процедура определения места повреждения, заканчивающаяся формированием оценки lfоц расстояния до места повреждения. Между расстоянием до выбранной на ЛЭП точки lf и оценочным расстоянием lfоц по результатам ОМП формируется разность Lомп: Lомп = lfоц - lf, (2.10)
Массив разностей Lомп , определенных для каждой имитируемой точки повреждения ЛЭП, используется в процессе адаптации алгоритмов ОМП.
Адаптация ОМП производится путем реализации ОМП ЛЭП по измеренным аварийным токам и напряжениям в результате короткого замыкания на линии электропередачи с последующей корректировкой результатов на основе полученных заблаговременно корректирующих коэффициентов.
В модель поступают аналоговые сигналы токов IA…I0, напряжений UA…U0, характеризующие режим электротехнического комплекса в точке А, и логические сигналы X1 … Xk, подводимые к блоку 7 ввода вычислительного устройства 6.
Сигналы X1 … Xk разделяются на группы, воздействуя на различные узлы блока 7. Посредством таких сигналов в память устройства (блок 10) вводятся коэффициенты, участвующие в формировании результирующей оценки расстояния (дистанции) при адаптации. Сигналы У1… Уq блока ввода 8 воздействуют на отключающие устройства защитного комплекса, другие (смежные) устройства релейной защиты и регистраторы аварийных событий. А
Структурная схема устройства ОМП, реализующего адаптивный способ ОМП ЛЭП На рисунке 2.17: 1 - промежуточные трансформаторы тока; 2 - промежуточные трансформаторы напряжения; 3 - аналоговые фильтры низких частот; 4 -коммутатор сигналов; 5 - аналого-цифровой преобразователь; 6 - вычислительное устройство, содержащее блоки ввода 7 и вывода 8 дискретной информации, 9 - цифровой процессор, 10 - блок памяти.
Аналоговые сигналы от трансформаторов тока TA и напряжения TV преобразуются промежуточными трансформаторами тока 1, напряжения 2, фильтрами нижних частот 3 и подводятся к коммутатору 4, обеспечивающему поочередную выборку мгновенных значений величин с выходов отдельных фильтров и их запоминание на время, необходимое для правильной работы АЦП.
В результате выходные сигналы АЦП 5 соответствуют в цифровом виде дискретным сигналам, промодулированным синусоидальными функциями. Каждому аналоговому сигналу U(t), I(t) на выходе аналогового фильтра нижних частот 3 соответствует дискретный сигнал U(nT), I(nT) на выходе АЦП 5, вводимый в вычислительное устройство 6, осуществляющее цифровую обработку сигналов.
В блоке памяти 10 осуществляется последовательное хранение совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, соответствующих определенному временному интервалу анализа ОМП. Как правило, временной интервал выбирается равным периоду промышленной частоты (f = 50 Гц) и соответствует Та= 20 мс. В течении этого интервала осуществляется выборка мгновенных значений тока и напряжения, количество которых N определяется отношением интервала Та к интервалу дискретизации tд (N=Та/tд). Операция выборки повторяется периодически с периодом tд, который определяет дискретность выдачи управляющих сигналов У1… Уq. Взаимодействуя с блоком памяти 10, цифровой процессор 9 выполняет операции, требуемые для адаптации ОМП.
На основе текущей информации о входных токах и напряжениях, входных сигналах X1 … Xk вычислительное устройство 6 вырабатывает необходимые решения в соответствии с предлагаемым способом адаптации ОМП ЛЭП с использованием имитационной модели, характеризуемые выходными сигналами У1… Уq, а также более точным расчетом расстояния до повреждения.
Для обоснования преимуществ предлагаемого способа адаптации с использованием модели ЛЭП проводилось имитационное моделирование с последующей оценкой точности расчета расстояний до повреждения по осциллограммам реальных повреждений.
В качестве экспериментальной была выбрана ВЛ 500кВ Костромская ГРЭС – Луч Нижегородской энергосистемы. Длина ВЛ 500 кВ Костромская ГРЭС – Луч 206,8 км, марка провода 3хАС 400/51, марка грозотроса 2х С -70, тип опор ПОИМ-500. Параметры, принятые при имитационном моделировании, приведены в таблице 2.5.
Основы поддержки принятия решений при определении места повреждения линий электропередачи
Каждый из программных комплексов и устройств ОМП реализует собственный расчетный алгоритм оценки расстояния до повреждения. Большинство алгоритмов определяют дистанцию до повреждения на основе информационных признаков повреждения таких, как изменение сопротивления, мощности, токораспределения и т.д. В зависимости от конфигурации ЭТК признаки «ведут себя» по-разному и могут уточнять или загрублять результат замера в различных условиях и на различных участках сети (отпайки, множественные взаимоиндукции, неоднородности грунта и эквивалентного сопротивления земли, а так же при пересечениях крупных водоемов, рек, горных участков и т.д.). Таким образом некоторые алгоритмы оказываются точнее на одних участках линии (например, в начале ЛЭП), а другие на других участках (например, в середине или в конце ЛЭП).
Формирование комплексных групповых алгоритмов ОМП, сочетающих достоинства и недостатки каждого из входящих в группу, может быть реализовано разными методами, например, на основе приложенного в работе имитационного моделирования. При этом используется адаптивная итерационная процедура, учитывающая точностные характеристики каждого алгоритма в результате имитационных экспериментов и обеспечивающая минимальное количество алгоритмов для достижения требуемой точности.
При модификации ОМП ЛЭП комбинирование алгоритмов может быть выполнено различными способами, в частности, на основе: - сочетания с учетом априорной оценки точности каждого из них, например, по результатам имитационных экспериментов; - выбора алгоритмов, обеспечивающих максимальную точность на отдельных участках, с последующим объединением в общую группу. Важно, что априорная оценка точности алгоритмов ОМП ЛЭП должна реализоваться в том числе с учетом реальных осциллограмм аварийных процессов, происшедших на конкретной ЛЭП. Однако ввиду недостаточной статистики повреждений приоритет по эффективности отдается имитационному моделированию (рисунок 3.7). Проиллюстрируем предлагаемую методику на имитационной модели ВЛ 220 кВ со средними для данного класса напряжения параметрами (описание модели приведено в главе 2).
Имитация однофазного короткого замыкания (КЗ) производилась с шагом 5% от длины линии. Для каждой выбранной точки КЗ производился расчет расстояния до места повреждения. В результате 63 тыс. опытов были получены законы распределения ошибки оценки расстояния при ОМП для каждого из методов. Такое большое число опытов обусловлено необходимостью обеспечения репрезентативности выборки при имитационном моделировании. Гистограммы и распределения, сформированные на основе расчета для точки КЗ lКЗ =35 км, представлены на рисунках 3.8 и 3.9. В качестве расчетных методов применялись: метод 1 – ИМФ-3Р [6], метод 2 – метод на основе замера реактивной мощности Результирующая оценка расстояния (lр ) формируется путем объединения методов 1-3 с коэффициентами, учитывающими обратную пропорциональность Метод 1 Метод 2 Метод 3 Результирующая оценка Математическое ожидание, lp , кмi 34,221 35,610 34,281 34,702 Среднеквадратическая ошибка, Ti, KM 1,521 1,523 1,516 0,877 Дисперсия, Di , км2 2,312 2,319 2,298 0,770 дисперсий ошибок для каждого из методов (см. раздел 3.1). Как видно из рисунка 3.9 и таблицы 3.1 результирующая оценка обладает уменьшенной дисперсией и среднеквадратической ошибкой расчета расстояния (для рассматриваемого примера сокращение ошибки составляет 1.74 раза). Распределение среднеквадратической ошибки ОМП вдоль длины линии для рассматриваемых методов приведено на рисунке 3.10. Отмечается увеличение ошибки при увеличении расстояния до точки повреждения.
Среднеквадратическая ошибка ОМП для анализируемых методов Ошибка ОМП на начальных 85% длины линии не превышает 2.2 % , что свидетельствует о высокой точности интегрального комплексного алгоритма. На конечном участке ЛЭП, где наблюдается существенное увеличение ошибки, рекомендуется использование методов, основанных на других физических принципах (например, активного зондирования [74]) или двухсторонних измерений. Однако методика объединения результатов ОМП ЛЭП при этом сохраняется.
Проиллюстрируем работу группового адаптивного алгоритма ОМП на примере имитационной модели действующей ВЛ 500 кВ «Луч – Нижегородская» Нижегородской энергосистемы. Реализация ОМП ЛЭП осуществлялась по вышеперечисленным трем методам. а)
В начале ЛЭП (рисунок 3.11а и 3.12) наиболее точным оказывается алгоритм 3, а два других (1 и 2) имеют большие ошибки. Для измерений в середине ЛЭП ситуация изменяется, в том числе методы приобретают «разнополярную» погрешность, точностные характеристики алгоритма 3 ухудшаются и становятся сопоставимыми с другими алгоритмами (рисунок 3.11 б, в). Реализация ОМП в конце ЛЭП (рисунок 3.11 г) характеризуется повышенными ошибками, причем точный алгоритм 3 в начале линии обладает худшим показателем в ее конце. Таким образом, при формировании группового алгоритма следует учитывать особенности ОМП на каждом из участков ЛЭП. Причем погрешности алгоритмов могут иметь разный знак и компенсировать друг друга.
Важнейшими качествами группового алгоритма является не только то, что в результате объединения происходит смещение расчетной точки ОМП в сторону истинного повреждения, но и уменьшенная дисперсия (степень разброса) групповой оценки расстояния до повреждения (рисунок 3.11 и 3.12). Такое качество позволяет сократить зону обхода ЛЭП и в конечном итоге ускорить ликвидацию аварийной ситуации.
Для односторонних алгоритмов ОМП ЛЭП характерно увеличение ошибки при повреждениях в конце линии (рисунок 3.11). При этом именно групповой алгоритм обеспечивает требуемую для эксплуатации точность.
Преимущества группового алгоритма ОМП подтверждают результаты экспериментов с осциллограммами реальных повреждений ЛЭП. В таблице 3.2 приведены данные, характеризующие точность ОМП и полученные на основе аварийных отключений ЛЭП 220-500 кВ в Нижегородской энергосистеме. Более подробно испытания разработанных алгоритмов на основе данных аварийных отключений ЛЭП приведены в главе 4 (раздел 4.4).