Организация метрологических каналов для определения мест повреждения воздушных линий на базе устройств синхронизированных векторных измерений

Практическая реализация методов определения мест повреждений (ОМП) для линий электропередачи сверхвысокого напряжения (ЛЭП СВН) на базе устройств синхронизированных векторных измерений (УСВИ) является перспективным направлением [1]. Вместе с тем текущая концепция применения УСВИ в Российской Федерации формирует следующие ограничения для реализации на их основе ОМП:

• 1.    УСВИ, устанавливаемые на объектах электроэнергетики в соответствии с Приказом Минэнерго РФ № 101 от 13.02.2019 г. [2], подключаются к измерительным обмоткам трансформаторов тока (ТТ), погрешность измерения которых при протекании тока короткого замыкания не нормируется, а коэффициент безопасности таких обмоток не превышает 5 [3] (при достижении соответствующего значения первичным током и номи-

• нальной нагрузке ТТ начинается насыщение магнитопровода). Результаты выполненного анализа функционирования ТТ на ЛЭП СВН позволяют сделать вывод о том, что вторичная нагрузка измерительных обмоток ТТ существенно ниже номинальной, а значения номинального первичного тока ТТ часто существенно превышают значение реально протекающего тока продолжительного режима, поэтому информация даже с измерительных обмоток ТТ может быть использована в некоторых случаях для ОМП. Проведённые ранее исследования методов ОМП [4] с использованием реальных данных синхронизированных векторных измерений (СВИ), полученных с измерительных обмоток ТТ, и при конфигурировании фильтров УСВИ в соответствии с классом М показали результаты, удовлетворяющие предъявляемым к ОМП требованиям по величине допустимой погрешности [5].

• 2.    Ввиду первоначального ориентирования использования УСВИ для фиксации медленных электромеханических переходных процессов и установившихся режимов, их характеристики, в первую очередь – малый диапазон измерения тока, затрудняют их использование для целей ОМП. Начавшееся в отечественной электроэнергетике внедрение международного стандарта IEC 61850 подразумевает использование новых типов измерительных преобразователей – цифровых ТТ и трансформаторов напряжения (ТН), а также применение принципов передачи информации об измеренных токах и напряжениях в виде цифрового потока в формате протокола IEC 61850-9-2. Данные решения позволяют эффективно разрешить описанные выше ограничения, поскольку цифровые ТТ не подвержены явлениям насыщения и остаточной намагниченности, а передача информации в цифровом виде делает возможным использование в УСВИ токов с любых необходимых трансформаторов (и их отдельных обмоток), благодаря реализации механизма подписок. Кроме этого, в соответствии с [6] цифровые трансформаторы должны иметь широкий диапазон номиналь-

  ных первичных токов, что также позволит улучшить качество информации, передаваемой в УСВИ, во всех возможных режимах. Следует отметить, что на сегодняшний день уже существуют УСВИ, способные работать с информацией, передаваемой в формате протокола IEC 61850-9-2. Для таких устройств не актуальны проблемы с ограничением диапазонов входящих токов и напряжений, поскольку информация поступает в цифровом виде.

В статье рассматриваются способы и особенности реализации метрологических каналов, выстраиваемых для целей ОМП на базе УСВИ.

Испытательный стенди методология исследований

Для выполнения исследований различных вариантов организации метрологических каналов для целей ОМП на основе СВИ был собран испытательный стенд (рис. 1), подробно описанный в [7, 8].

Основным элементом стенда является программно-аппаратный комплекс (ПАК) моделирования в реальном времени (RTDS), с помощью которого воспроизводились осциллограммы токов

Рис. 1. Функциональная схема испытательного стенда Fig. 1. Functional diagram of the test bench

и напряжений, полученные при расчёте имитационной модели ЛЭП СВН. СВИ рассчитывались двумя способами: при использовании реальных УСВИ (для исследования характеристик входных преобразователей) и при использовании встроенного в RTDS УСВИ (для других проводимых исследований).

Для расчёта СВИ в ПАК RTDS использовалась плата GTNETx2 с «прошивкой» PMU, в которой можно задать различные характеристики цифровых фильтров УСВИ, определяющих механизмы цифровой обработки поступающих аналоговых и цифровых сигналов. В RTDS цифровые фильтры класса М и класса Р реализованы в соответствии со стандартом IEC/IEEE 60255-118-1 [9]. Для формирования осциллограмм использовалась имитационная модель электрической сети 500 кВ, представленная на рис. 2.

В качестве первичных преобразователей тока использовались верифицированные математические модели электромагнитных трансформаторов тока без учета (идеальные) и с учетом нелинейных характеристик магнитопровода, а также математические модели катушки Роговского (КР).

Имитационная модель электромагнитного ТТ с учетом нелинейных характеристик магнитопровода, основанная на Т-образной схеме замещения (рис. 3), разработана при следующих допущениях:

• 1)    сложная картина магнитного поля упрощенно представляется суммой основного магнитного потока и потоков рассеяния первичной и вторичной обмоток;

• 2)    потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток пропорциональны первичному и вторич-

• ному токам;

• 3)    потери на вихревые токи не учитываются;

• 4)    гистерезис не учитывается.

Система уравнений имитационной модели ТТ имеет следующий вид:

i 1 ( t ) ■ ^w 1 - i 2 ( t ) ■ w 2 .

;

l ТТ

B ( t ) = f ( H ( t ));

• e 2⁽ t ) = - S ТТ ■ ^w 2 ■        ^;

dt di2 (t) _ e2( t ) + i2 (t) ■ ( R2 + RН ) ---- —-- dt            L 2 + LН

На рис. 3 и в системе уравнений (1) приняты следующие обозначения:

• i ₁, i ₂ – первичный и вторичный токи трансформатора;

• w ₁, w ₂ – количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;

• B – магнитная индукция;

Н – напряженность магнитного поля;

Рис. 2. Однолинейная схема исследуемой электрической сети, содержащей ЛЭП СВН

Fig. 2. Single-line diagram of the investigated electrical network containing a high-voltage transmission line

Рис. 3. Схема замещения ТТ с учетом нелинейности магнитопровода Fig. 3. CT equivalent circuit taking into account the nonlinearity of the magnetic circuit

Рис. 4. Схема имитационной модели КР при применении цифрового интегратора: R 2 – активное сопротивление КР; L 2 – индуктивность КР; R шунт – активное сопротивление шунта (при его наличии)

Fig. 4. The Rogowski coil simulation model using a digital integrator: R 2 is the active resistance of the RC; L 2 is the inductance of the RC; R шунт – active resistance of the shunt (if any)

Таблица 1

Параметры имитационной модели КР

Table 1

Rogowski coil simulation model parameters

Параметр Обозначение в программе RSCAD ПАК RTDS Размерность Значение Индуктивность вторичной обмотки катушки L2 мкГн 1167,5 Взаимоиндукция катушки (взаимная индуктивность между первичным проводом и вторичной обмоткой катушки) M мкГн 0,562 Активное сопротивление катушки R2 Ом 15,96 lТТ – длина средней магнитной линии магнитопровода;

S _ТТ – площадь поперечного сечения магнитопровода;

• e ₂ – ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке;

• R ₂ – активное сопротивление вторичной обмотки ТТ;

• L ₂ – индуктивность вторичной обмотки ТТ;

• L _Н – индуктивность нагрузки ТТ;

R _Н – активное сопротивление нагрузки ТТ.

Параметры ТТ класса напряжения 500 кВ были взяты из приложения В ГОСТ Р 58669–2019 [10].

Выходным сигналом КР является напряжение, пропорциональное производной тока первичной цепи:

= M . di^t) .                          (2)

dt uКР(t)

Схема имитационной модели КР при использовании цифрового интегратора представлена на рис. 4.

Параметры моделируемой КР, приведённые в табл. 1, соответствуют реальному образцу (с U _ном = = 500 кВ) и были определены путём измерения при помощи прецизионного RLC-метра.

При исследовании были использованы разноплановые, широко известные методы ОМП, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации и предыдущих исследованиях, далее: Метод № 1 – двусторонний метод ОМП, использующий составляющие тока и напряжения по нулевой последовательности [11, выражение (3.3), с. 9]; Метод № 2 – двусторонний метод ОМП, использующий полный вектор тока и напряжения с учётом коррекции распределения тока нулевой последовательности [12, на основе выражений (1.4) и (1.5), с. 16]; Метод № 3 – двусторонний метод ОМП, использующий полные вектора тока и напряжения трёх фаз [13, выражение № 4, с. 4].

Проблемы и концепции построения метрологических каналов для ОМП на базе СВИ

В настоящее время в Российской Федерации реализуется концепция применения УСВИ [14], заключающаяся в их подключении к измерительной обмотке ТТ и применении инерционного цифрового фильтра класса М. К сожалению, такая концепция не может использоваться в целях ОМП, поскольку в этом случае требуемая в НТД [5] погрешность ОМП достигается только при ограниченных диапазонах режимных параметров КЗ. При отсутствии апериодической составляющей и малой кратности тока КЗ (ТТ не насыщается) погрешность методов ОМП может соответствовать требованиям НТД, однако ситуация кардинально изменяется при появлении апериодической составляющей в токе КЗ (рис. 5). Данные на графиках получены при использовании моделей УСВИ и моделей электромагнитных ТТ с номинальной вторичной нагрузкой, реализованных в ПАК RTDS. Погрешность методов ОМП при подключении УСВИ с фильтром Р к измерительной обмотке несколько меньше, но также является не допустимой.

Подключение УСВИ к обмоткам ТТ класса Р позволяет достичь точности ОМП, сопоставимой и даже превосходящей функции ОМП некоторых терминалов релейной защиты (рис. 6). Моделируемые токи короткого замыкания существенно ниже тока предельной кратности релейной обмотки моделируемого ТТ (действующее значение тока КЗ – до 5 кА, ток предельной кратности – 80 кА) (рис. 7), но имеют апериодическую составляющую с постоянной времени затухания до 70 мс. Данных

|— ■ Метод №1 (Ап.сост) ■ "Метод №2 (Ап.сост) ^^^Метод №1 (Без ап. сост.) ^^^Метод №2 (Без ап. сост.) |

Рис. 5. График погрешности методов ОМП в зависимости от места КЗ и наличия/отсутствия апериодики в токе КЗ, подключение УСВИ к измерительной обмотке ТТ, номинальная нагрузка измерительной обмотки ТТ, фильтр М при 3 периодах КЗ, фильтр Р при 2-м и 3-м периодах КЗ

Fig. 5. Errors of FL methods depending on the location of the short circuit and the presence/absence of aperiodics in the short circuit current, the PMU connection to the CT measuring winding, the nominal load of CT winding, M filter at 3 short circuit periods, P filter at 2nd and 3rd short circuit periods

|м "Метод №1 (Ап.сост) ■ "Метод №2 (Ап.сост) ^^^ Метод №1 (Без ап.сост) ^^^Метод №2 (Без ап.сост)

Относительная удаленность точки КЗ от шин слева, %

Рис. 6. График погрешности методов ОМП в зависимости от места КЗ и наличия/отсутствия апериодики в токе КЗ, подключение УСВИ к релейной обмотке ТТ, номинальная нагрузка обмотки ТТ, фильтр М при 3 периодах КЗ, фильтр Р при 2-м и 3-м периодах КЗ

Fig. 6. Errors of FL methods depending on the location of the short circuit and the presence/absence of aperiodics in the short circuit current, the PMU connection to the CT relay winding, the nominal load of the CT winding, M filter for 3 short circuit periods, P filter for 2nd and 3rd short circuit periods

Удаленность точки КЗ от шин системы слева относительно длины линии, %

Удаленность точки КЗ от шин системы слева относительно длины линии, %

a)

b)

Рис. 7. Графики действующего значения и постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ в зависимости от места КЗ, соответствующие погрешностям ОМП на рис. 5 и 6: a – замер со стороны системы «А» (рис. 2); b – со стороны системы «Б»

Fig. 7. The effective value and the damping time constant of the aperiodic component of the short circuit current, depending on the location of the short circuit, corresponding to the errors of the fault in Fig. 5 and 6: a – measurement from the side of the system “A” (Fig. 2); b – from the side of the system “Б”

значений достаточно для насыщения измерительных обмоток, но недостаточно для насыщения релейных. Однако обмотки ТТ класса Р также могут насыщаться при наличии апериодической составляющей в токе КЗ [15]. Кроме того, ТТ класса Р подвержены влиянию явления остаточной намагниченности, которое может приводить к насыщению их магнитопроводов при меньших значениях тока КЗ. При этом стоит отметить, что даже если ТТ преобразует ток КЗ без искажения формы сигнала, не все УСВИ смогут его преобразовать и представить в цифровой форме по причине ограниченного входного диапазона измерительных аналоговых каналов.

Для уменьшения влияния явления остаточной намагниченности магнитопроводов ТТ на погрешность методов ОМП на базе СВИ возможно использование ТТ с ограничением величины остаточной намагниченности [16] (классы PR, TPY, TPZ), требования к которым приведены в [17, 18].

Таким образом, можно сделать вывод, что при использовании СВИ для целей ОМП необходимо организовать передачу измеренных значений тока с релейной обмотки ТТ, при этом желательно, чтобы ТТ имел класс для работы в переходных режимах (классы PR, TPY, TPZ).

Явлениям насыщения и остаточной намагниченности могут быть подвержены не только высоковольтные измерительные ТТ, но и входные преобразователи (или промежуточные преобразователи) тока УСВИ (рис. 8), в качестве которых в подавляющем большинстве устройств используются малогабаритные ТТ. Насыщение данных преобразователей может оказать существенное влияние на погрешность рассчитываемых СВИ и последующего выполнения ОМП. Таким образом, соблюдение требований, определяющих работу ТТ в переходных режимах, справедливо не только для высоковольтных измерительных ТТ, но и в неменьшей степени для входных преобразователей УСВИ. Однако такие требования в стандартах по УСВИ не регламентированы, что объясняется применением существующих УСВИ исключительно для мониторинга установившихся электроэнергетиче-

УСВИ

Рис. 8. Структура метрологического канала при формировании СВИ с аналоговым УСВИ (для целей Системы мониторинга переходных режимов, или СМПР): ВПТ – входной преобразователь тока; АЦП – аналоговоцифровой преобразователь; МК – микроконтроллер (процессор)

Fig. 8. The structure of the metrological channel during the formation of the phasor measurements with an analog PMU (for the purposes of the WAMS)

ских режимов и электромеханических переходных процессов. Целесообразным является применение к входным преобразователям УСВИ требований, описанных в стандартах к преобразователям аналоговых сигналов (ПАС) [19] и предусматривающих использование специальных классов точности – 2TPM, 6TPM, 10TPM.

На рис. 9 представлены СВИ, полученные при подаче на вход УСВИ различных производителей тока величиной в половину диапазона измерения и с апериодической составляющей, имеющей постоянную времени затухания 100 мс. Одним из испытуемых устройств был преобразователь аналоговых сигналов (ПАС) с функцией расчёта СВИ, содержащий измерительную и релейную обмотки. Релейная обмотка данного устройства имела свойство «иммунитета» к апериодической составляющей, что позволило этому устройству обеспечить наилучший результат.

Таким образом, при реализации ОМП на базе СВИ оптимальным решением является использование устройств (рис. 10), рассчитывающих СВИ и имеющих возможность подключения как к измерительным обмоткам ТТ с использованием фильтров класса М, так и к релейным обмоткам ТТ с использованием фильтров УСВИ класса Р (для целей выполнения ОМП на базе СВИ). При этом релейная обмотка УСВИ обязательно должна обладать свойством «иммунитета» к апериодической составляющей тока КЗ, чтобы исключить влияние насыщения входного преобразователя. При такой конфигурации системы формирования кадров данных СВИ отсутствует необходимость внесения изменений в алгоритмы работы СМПР и появляется возможность применения СВИ для целей ОМП.

Использование высоковольтных ТТ классов PR, TPY, TPZ не избавляет от возможных ошибок

Рис. 9. СВИ, полученные от УСВИ различных производителей, при постоянной времени апериодической составляющей тока, равной 100 мс

Fig. 9. Phasor measurements obtained from PMUs of various manufacturers with a time constant of the aperiodic current component equal to 100 ms

УСВИ

а)

b)

Рис. 10. Структура метрологического канала при формировании СВИ: а – с аналоговым УСВИ (для целей СМПР и ОМП); b – с цифровым УСВИ и ПАС (для целей СМПР и ОМП)

Fig. 10. The metrological channel during the formation of the phasor measurements: a – with an analog PMU (for the purposes of WAMS and FL); b – with digital PMU and PAS (for the purposes of WAMS and FL)

СВИ в цифровом

Поток в формате МЭК 61850-9-2 для

ЦТТ

УСВИ целей защит

Поток в формате МЭК 61850-9-2 для целей измерений

виде в формате протокола С37.118

(обработаны по классу М)

--------► СМПР

-------► ОМП

СВИ в цифровом виде в формате протокола С37.118 (обработаны по классу P)

Рис. 11. Структура метрологического канала при использовании цифрового ТТ с КР Fig. 11. The metrological channel when using a digital CT with a Rogowski coil при проектировании и эксплуатации (неправильный выбор ТТ, перегрузка и др.), что может серьёзно сказаться на точности рассчитываемых СВИ и выполняемого на их базе ОМП. Использование цифровых измерительных ТТ, не подверженных явлениям насыщения и остаточной намагниченности, в перспективе позволит получить наименьшую погрешность ОМП. На результат измерений таких датчиков не влияет количество подключаемых устройств, поэтому для них невозможна перегрузка, а поскольку они работают в широком диапазоне первичных номинальных токов, это максимально нивелирует погрешности, связанные с неправильным проектированием и эксплуатацией ТТ. Помимо этого, при выстраивании цифровых каналов передачи данных отсутствует необходимость во входных преобразователях УСВИ со свойством DC-иммунитета. В качестве первичных преобразователей тока в цифровых трансформаторах наиболее часто используются оптические датчики и КР.

Схема метрологического канала при такой конфигурации изображена на рис. 11.

Модель цифрового трансформатора с использованием КР, схема замещения которой представлена на рис. 4, была собрана в программном комплексе RSCAD ПАК RTDS. В результате моделирования были получены осциллограммы, аналогичные сигналам, поступающим в УСВИ от цифровых трансформаторов. Проведённые эксперименты для ОМП на основе СВИ, рассчитанных по данным осциллограммам, показали наилучший результат. На рис. 12 и 13 представлены результаты выполнения ОМП с варьированием параметров (табл. 2), влияющих на точность ОМП, по методу Монте-Карло (1000 экспериментов). В экспериментах использовалась функция УСВИ, встроенная в ПАК RTDS (плата GTNETx2 с «прошивкой» PMU, рис. 1).

Анализируя представленные выше диаграммы, можно отметить, что результаты, полученные

а) комплект СВИ, взятый на 3-й период после КЗ

Рис. 12. Сравнение результатов ОМП, выполненных по методу Монте-Карло (сигнал с КР получен с использованием математического интегратора) при использовании фильтра M

Fig. 12. The FL performed by the Monte Carlo method (the signal from the Rogowski coil was obtained using a mathematical integrator) using the class M filter

b) комплект СВИ, взятый на 4-й период после КЗ

Метод ОМП № 1. идеальный ТТ

Метод ОМП № 2, идеальный ТТ

Метод ОМП № 3, идеальный ТТ

Метод ОМП № 1, КР

Метод ОМП № 2, КР

Метод ОМП № 3, КР

а) комплект СВИ, взятый на 3-й период после КЗ

b) комплект СВИ, взятый на 4-й период после КЗ

Рис. 13. Сравнение результатов ОМП, выполненных по методу Монте-Карло (сигнал с КР получен с использованием математического интегратора) при использовании фильтра P

Fig. 13. The FL performed by the Monte Carlo method (the signal from the Rogowski coil was obtained using a mathematical integrator) using the class P filter

Метод ОМП № 1, идеальный ТТ

Метод ОМП № 2, идеальный ТТ

Метод ОМП № 3, идеальный ТТ

Метод ОМП № 1, КР

Метод ОМП № 2, КР

Метод ОМП № 3. КР

Таблица 2

Пределы варьирования рассматриваемых параметров имитационной модели электрической сети (рис. 2)

Limits of the variation of the parameters of the simulation model of the electrical network (Fig. 2)

Table 2

Фактор Интервал варьирования Удалённость КЗ от системы «А» относительно длины линии, о.е. [0,08·L; 0,92·L] Переходное сопротивление в месте КЗ, Ом [0,001; 50] Распределение составляющих тока КЗ по прямой и нулевой ZСБ(1)/ZСА(1)= [0,1; 2] последовательностям, о.е. ZС Б(0) /ZСА(0)= [0,1; 4] Угол фазового сдвига между векторами ЭДС эквивалентированных систем, эл. град. [0; 90] Сопротивление нагрузки, Ом [0·Zнагр; Zнагр] Фаза напряжения при возникновении КЗ, эл. град. [0; 360] при использовании КР с математическим интегратором, очень близки к результатам, зафиксированным для модели идеального ТТ.

Выводы

• 1.    Существующая на сегодняшний день концепция реализации измерительных каналов УСВИ и применяемых в них цифровых фильтров (регламентируется использование фильтров М) не позволяет полноценно использовать их для целей выполнения ОМП. В [14] прописана возможность подключения к обмоткам класса Р, но только на усмотрение проектировщика, при этом подобная проектная практика на данный момент отсутствует и подобные решения в Единой энергосистеме России не внедряются. Поэтому для организации ОМП на базе СВИ потребуется корректировка НТД в части концепции применения УСВИ и способов их подключения [20]. С технической точки зрения возможности для реализации таких метрологических каналов и использования УСВИ с фильтрами Р существуют.

• 2.    ТТ, являющиеся частью измерительного канала для реализации ОМП на базе СВИ, должны быть подобраны таким образом, чтобы в режимах КЗ, сопровождающихся наличием апериодической составляющей, информация, поступающая с их выводов, не была искажена, поэтому целесообразно использовать ТТ, предназначенные для функционирования в переходных режимах (TPY, TPX, TPZ). При этом для входных преобразователей

• 3.    Оптимальным решением как с точки зрения точности выполняемого ОМП, так и с точки зрения простоты технической реализации и стоимости, может являться использование аналоговых УСВИ или связки ПАС и цифрового УСВИ с возможностью подключения как к защитной, так и к измерительной обмотке ТТ; при этом устройство, осуществляющее оцифровку вторичного сигнала ТТ для целей ОМП, обязательно должно соответствовать требованиям, приведённым в [19] (обладать свойством DC-иммунитета).

• 4.    Выполненные вычислительные эксперименты, в которых применялась модель цифрового трансформатора с использованием катушки Роговского, свидетельствуют о достижении высокой точности ОМП на базе СВИ. Таким образом, представленное решение задачи с организацией измерительного канала на основе нетрадиционных измерительных преобразователей можно считать наиболее перспективным.

УСВИ обязательно должна быть реализована функция DC-иммунитета, поскольку насыщение входных ТТ УСВИ существенно сказывается на точности ОМП даже при корректном функционировании высоковольтного ТТ. Идеальным решением является использование цифровых трансформаторов и цифровых УСВИ, однако построение таких метрологических каналов, к сожалению, возможно только при новом строительстве или комплексной реконструкции подстанции и сопряжено со значительными капитальными затратами.