Исследование работоспособности устройств и алгоритмов определения места повреждения линий электропередачи

Объект исследования и актуальность темы.

По статистическим данным воздушные линии электропередачи (ЛЭП) являются наиболее повреждаемым элементом электротехнических систем, причем преобладающим видом повреждений в сетях высокого напряжения являются короткие замыкания (КЗ) на землю [1]. Необходимым звеном обеспечения живучести и надежности работы электротехнических систем являются устройства определения места повреждения (ОМП) при КЗ на линиях электропередачи (ЛЭП). Повышение работоспособности алгоритмов и устройств ОМП способствует ускорению выявления и ликвидации повреждений.

В настоящее время для определения расстояния до места повреждения в основном используются микропроцессорные фиксирующие приборы (МФП) одностороннего замера, преимуществом которых перед другими устройствами определения места повреждения является высокая скорость получения результата и удобство его считывания эксплуатационным персоналом [2, 3]. При использовании одностороннего замера на ЛЭП с двусторонним питанием неизбежно возникает проблема недостатка информации, например, о текущих параметрах питающих систем, примыкающих к ЛЭП, что может привести к значительным методическим погрешностям.

Первоначально для ОМП в сетях с двусторонним питанием использовались преимущественно приборы, фиксирующие параметры аварийного режима на обоих концах поврежденной линии независимо друг от друга для производства последующих вычислений [4]. При неразвитых средствах телекоммуникации и микропроцессорной техники необходимость сбора информации с двух концов линии являлась существенным недостатком способов ОМП по данным двустороннего замера.

В последнее время для сбора информации и синхронизации используются современные средства телекоммуникаций: модемные каналы, глобальная сеть Internet и спутниковые системы GPS [5, 6], предлагаются и реализуются различные варианты автоматизированных систем централизованного ОМП на базе комплекса существующих регистраторов аварийных процессов и фиксирующих приборов [7, 8].

При одностороннем же замере не требуется осуществлять изохронные измерения параметров аварийного режима и передачу информации по каналам связи. Даже при организации таких каналов односторонний замер необходим для предварительного или резервного ОМП. Использование микропроцессорной техники позволяет перейти от расчета расстояния до места КЗ по набору простых формул, построенных на основе упрощенных математических моделей ЛЭП, к способам, оперирующим априорной информацией и анализирующим конфигурацию линии, способным учитывать более сложные модели ЛЭП и влияние различных искажающих замер факторов. Однако с развитием микропроцессорной техники и совершенствованием аппаратной базы устройств ОМП математическое и алгоритмическое обеспечение МФП остается практически неизменным. В большинстве эксплуатируемых в настоящее время устройствах ОМП реализованы алгоритмы одностороннего замера расстояния до места КЗ [9, 10], разработанные в начале 1980;х годов и имеющие существенную методическую погрешность и низкую работоспособность [И].

Поэтому актуальными являются задачи, связанные с повышением работоспособности алгоритмов и устройств определения места повреждения линий электропередачи и разработкой соответствующего программного обеспечения.

В связи с вышеизложенным, цель диссертационной работы заключается в разработке алгоритмов одностороннего ОМП линии электропередачи и элементов программно-математического обеспечения анализа аварийных событий, повышающих работоспособность устройств и алгоритмов ОМП.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Выполнить анализ работоспособности существующих алгоритмов и устройств ОМП.

2. Усовершенствовать алгоритмы для достижения минимальной погрешности ОМП при данном объеме априорной и текущей информации.

3. Выполнить анализ работоспособности алгоритмов распознавания вида повреждения ЛЭП.

4. Разработать программный комплекс анализа аварийных событий, реализующий усовершенствованные алгоритмы.

5. Провести сравнительные испытания алгоритмов на моделях ЛЭП и практические испытания на реальных линиях электропередачи для проверки достоверности и адекватности теоретических положений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теория электрических цепей и электромагнитных переходных процессов, методы линейной алгебры и математического программирования, аналитические и численные методы анализа с использованием ЭВМ, методы статистических испытаний. При разработке программного обеспечения использовался язык программирования DELPHI.

На защиту выносятся результаты:

1. Новые алгоритмы одностороннего ОМП ЛЭП с двусторонним питанием, основанные на адаптивном определении параметров ненаблюдаемой системы и позволяющие снизить погрешность измерения расстояния до места повреждения по сравнению с существующими алгоритмами.

2. Результаты статических испытаний алгоритмов ОМП.

3. Программное-математическое обеспечение, реализующее разработанные способы ОМП.

4. Результаты экспериментальных исследований осциллограмм КЗ в разработанном программном обеспечении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработанные алгоритмы ОМП на ЛЭП с двусторонним питанием, основанные на адаптивном определении параметров ненаблюдаемой системы с использованием схем обратной и нулевой последовательностей, повышают работоспособность устройств ОМП.

2. Определение параметров ненаблюдаемой системы может быть основано как на традиционных методах оптимизации прямого поиска, так и на генетическом алгоритме.

3. Предложенные методы оптимизации на основе использования двух независимых алгоритмов образуют новый класс алгоритмов ОМП, способных действовать с минимальной погрешностью при испытаниях на моделях ЛЭП.

Практическая ценность.

1. Для микропроцессорных фиксирующих устройств и программных комплексов обработки аварийных осциллограмм разработаны алгоритмы, повышающие точность ОМП по сравнению с существующими алгоритмами.

2. Для персонала служб релейной защиты и автоматики разработан программный комплекс, позволяющий проводить анализ работы и оценку погрешности алгоритмов ОМП.

Достоверность результатов. Достоверность результатов и выводов подтверждена исследованиями на математических моделях линий электропередачи, проведением большого количества испытаний, использованием в математических моделях параметров реальных линий электропередачи, а также экспериментальной проверкой по осциллограммам, зарегистрированным при КЗ на ЛЭП 110−220 КВ.

Публикации и апробация работы. Основное содержание и результаты работы докладывались и обсуждались на 51-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (УГНТУ, г. Уфа, 2000 г.), Республиканском конкурсе научных работ студентов вузов (г. Уфа, 2000 г.) — на III Конгрессе нефтегазопромыш-ленников России в секции «Автоматизация производственных процессов» (г. Уфа, 2001 г.), на семинаре-совещании «Проблемы энергоснабжения, энергоиспользования и ремонтообеспечения оборудования в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности» (г. Москва, 2003 г.), на IV Конгрессе нефтегазопромышленников России в секции «Автоматизация, метрология и связь» (г. Уфа, 2003 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе выполнен аналитический обзор современных алгоритмов и устройств определения места повреждения на линиях электропередачи.

Во второй главе предложены и исследованы усовершенствованные алгоритмы ОМП, использующие оптимизационный поиск параметров модели ЛЭП. Проведен анализ их функционирования на моделях реальных воздушных линий.

В третьей главе рассмотрены способы распознавания вида короткого замыкания. Предложен способы распознавания, основанный на искусственных нейронных сетях с обратным распространением ошибки.

В четвертой главе представлен объектно-ориентированный подход к разработке и дальнейшему развитию программного обеспечения ОМП. Разработан программный комплекс, осуществляющий распознавание вида КЗ и односторонний расчет расстояния до места КЗ по различным алгоритмам. Одной из основных функций, выполняемых комплексом, является функция статистического анализа погрешностей алгоритмов ОМП.

Заключение

содержит основные результаты диссертационной работы.

В приложении 1 приведены основные соотношения между симметричными составляющими токов и напряжений при коротком замыкании на землю.

В приложении 2 приведены промежуточные математические выражения и коэффициенты уравнения для алгоритма определения расстояния до места КЗ по отношениям токов обратной и нулевой последовательностей.

В приложении 3 представлены зависимости фаз коэффициентов токораспределения нулевой и обратной последовательностей расстояния до места КЗ для воздушных линий 220 КВ.

В приложении 4 представлена копия акта об использовании результатов научно-исследовательской работы и копия свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Диссертационная работа выполнена на кафедре Электротехники и электрооборудования промышленных предприятий Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Выводы по четвертой главе.

1. Исследован объектно-ориентированный подход к созданию программного обеспечения определения места повреждения и анализа работы алгоритмов. Разработан программный комплекс, реализующий объектно-ориентированный подход и усовершенствованные алгоритмы ОМП.

2. С помощью разработанного программного комплекса исследованы погрешности определения расстояния до места КЗ путем обработки реальных осциллограмм КЗ на ВЛ 110−220 КВ. Погрешность ОМП не превышала 5% от длины линии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе рассмотрен и решен комплекс задач повышения работоспособности одностороннего определения места повреждения линий электропередачи. Основные теоретические и практические результаты работы следующие:

1. Методом статистических испытаний проведен анализ работоспособности алгоритмов одностороннего ОМП линий электропередачи с двусторонним питанием в различных режимах работы. Проведенные исследования показали, что алгоритмы имеют «области грубых замеров», при которых возможны бесконечно большие погрешности ОМП. Одним из основных недостатков существующих алгоритмов является неучет или несовершенный учет параметров ненаблюдаемой системы, примыкающей к ЛЭП.

2. Разработаны и исследованы усовершенствованные алгоритмы ОМП для систем с двусторонним питанием, реализующие адаптивное определение параметров удаленной системы. В результате проведенных исследований показано, что методы оптимизации на основе использования двух независимы алгоритмов образуют класс алгоритмов, способных действовать с минимальной погрешностью при испытаниях на моделях ЛЭП.

3. Предложен алгоритм распознавания вида КЗ, основанный на искусственных нейронных сетях. В результате проведенных исследований работоспособности установлено, что на одиночных линиях 110−220 КВ алгоритм работает не лучше, чем алгоритм определения вида КЗ, использующий четырехугольную характеристику реле сопротивления. Однако преимуществом искусственных нейронных сетей перед традиционными способами является возможность их адаптации к различным конфигурациям электрических сетей.

4. На основе объектно-ориентированного подхода к созданию программного обеспечения анализа аварийных событий разработан программный комплекс ОМП, с помощью которого обработаны реальные осциллограммы КЗ на ВЛ 110−220 КВ. Погрешность ОМП не превышала 5% от длины линии. На разработанное программное обеспечение получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 003 612 222.