SE470499B - Förfarande och anordning för felbestämning vid fel på en kraftledning - Google Patents

Description

2 mätvärdena som sedan via olika distansskyddsekvationer för modellen bestämmer felavstånd och felresistansens storlek.

I US 4 906 937 beskrivs ett förfarande som utgår från en nätbild enligt figur 1. Man känner den felfria ledningsimpedansen ZpQ hos den skyddade ledningssträckan mellan två mätstationer P och Q. Efter det att ett fel har konstaterats kan spärmingama Up och UQ samt strömmama Ip och IQ uppmätas i respektive stationer. Spänningama och strömmama kan tillhöra vilken som av faserna R, S och T. För att ej behöva kommunikation mellan stationema utgår man dock i regel från uppmätta värden vid den ena stationen. Om man i enlighet med figur l gör ansatsen att det genom en felresistans Rp flyter en ström Ip, varvid en spänning Up ligger över felresistansen, kan följande spänningsbalansekvation för nätet uppställas: Up = Upp + Up = oz-ZpQlp + Rp-Ip (l) Här är fx = O - l ett tills vidare antaget mått på felläget. Ekvationen (1) är ju inte direkt lösbar på grund av för många obekanta parametrar och man får därför göra vissa ansatser och använda speciella lösningsförfaranden, exempelvis i fonn av linjär regression, för att kunna lösa den.

I en artikel i IEEE Tutorial Course: "Computer relaying", 79 EH 0148-7- PWR, sid 22, ekvation (18) görs ansatsen att den skyddade ledningen kan beskrivas som en R-L-seriekrets. Spänningsbalansekvation (18) med beteckningar från denna artikel har fonnen V = Reff i+Leffdildt (2) där Reff avser summan av ledningsresistansen fram till felstället plus felresistansen och Leff avser ledningsinduktansen från mätstationen och frarn till felstället.

Dessa båda framställningssätt av ett ledningsnät och de ekvationer som kan härledas från dessa används så som distansskyddsekvationer och bildar direkt underlag för den felrnodel enligt figur 2 som finns i befintliga distansskydd. Av figur 2 framgår principiellt hur distansskyddet l med aktuell felmodell förutom information om nätets data och en ansats om felströmmen via mättransforrnatorer 2 och 3 för spänning och ström kontinuerligt tillföres samtliga fasströmmar och fasspänningar vilka värden filtreras och signalbehandlas. På grund av mätsignalemas transforrnering har ledningsimpedansen ZpQ ersatts av en transformerad ledningsimpedans ZLi felrnodellen. Utlösning av brytare 4 för frånkoppling av nätet sker då bestämda kriterier inbyggda i distansskyddet uppfylles.

I en artikel "Microprocessor-based algoritm for high-resistance earth fault distance protection", av O. S. Yang m fl i IEE Proc. Vol 139, Pt. C.

No 6. Nov 1983, anges en spänningsbalansekvation för ett nät med utgångspunkt från en förenklad nätbild där kapacitiva effekter har försummats. I artikeln görs ansatsen att felströmmen är lika med den strömändring som sker mellan strömmen under en period före det att ett fel har inträffat och strömmen efter det att felet har inträffat.

Spänningsbalansekvationen utvärderas med avseende på felavstånd med utgångspunkt från mätvärden från kraftnätet vid två närliggande tidpunkter och med underlag från kända nätdata. Det beskrivna förfarandet kräver relativt stora resurser för att kunna spara uppmätta strömmar före det att ett fel har inträffat och svårigheter uppstår också när man skall para ihop dessa strömvärden med strömmar uppmätta under felet. Dessa svårigheter förstärks också om nätets frekvens avviker från den nominella. Eftersom beräkningarna baseras enbart på mätvärden tagna vid två näraliggande tidpunkter blir noggramiheten begränsad där strömmens derivata är liten, dvs på strömkurvans topp. Det rekommenderas därför i artikeln att beräkningama utföres med mätvärden tagna i nära anslutning till strömmens nollgenomgång.

Ansats av felström enligt teknikens ståndpunkt är, som det också framgår av ovanstående, baserad på inmatning till felstället av felström Ip enbart via den station där mätningen sker, dvs enbart från den ena ledningsänden. Därvid uppstår en felkälla eftersom man inte tar hänsyn till inmatning av felström till felstället från ledningens andra ände.

I en artikel "Numerical distance protection for sub-transmission lines" av A. Engqvist, L Eriksson, Cigre, 34-O4,l988 beskrivs en teknik som visar hur uppmätta sarnplade fasströmmar och fasspänningar behandlas i olika filter för att sedan kunna komma till användning i aktuella felmodeller.

Filtren innefattar bl a lågpassfilter och rekursivt arbetande Fourierfrlter.

Den beskrivna filtertekniken innebär också att oönskade harmoniska signaler elimineras samt en ortogonal behandling av mätsignalema för en uppdelning av dessa i real- och irnaginärdelar.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen hänförs till ett distansskydd och omfattar ett förfarande och en anordning för att bestämma avståndet från en mätstation till ett fel på en kraftledning. Uppfinningen framgår av figur 3 och baseras på en felmodell av ett ledningsnät där man till skillnad från felmodeller enligt teknikens ståndpunkt har tagit hänsyn till nollföljdsimpedansen.

Felrnodellen enligt uppfinningen kommer därför nedan att omtalas som en utökad felmodell. Nollföljdsimpedansen utgöres på samma sätt som den 4 transformerade ledningsimpedansen ZL av en transforrnerad nollföljds- impedans och betecknas här med ZN. Med dessa beteckningar kommer spänningsbalansekvationen (1) enligt ovan för den utökade felrnodellen att kunna skrivas som U = 0t(ZLI + ZNIN ) + IFRF (3) där I är den transformerade fasströmmen och IN är den transformerade nollföljdsströmmen. Om man ersätter impedansema med sina respektive resistanser och induktanser, dvs där den transformerade ledningsimpedansen ZL ersätts med den transforrnerade lednings- resistansen RL och den transformerade ledningsinduktansen LL och där den transformerade nollföljdsimpedansen ZN ersätts av den transformerade nollföljdsresistansen RN och den transformerade nollföljdsinduktansen LN får spärmingsbalansekvationen (3) för varje fas formen U = 0t(R1_,I + LLdI/dt +RNIN + LNdIN/dt) + IFRF (4) Om man uttrycker ledningens induktans med hjälp av ledningens reaktans XL vid aktuell nätfrekvens (og, dvs LL = XL/wo och motsvarande om man uttrycker nollföljdsinduktansen med hjälp av nollföljdsreaktansen XN vid aktuell nätfrekvens 030, dvs LN = XN/wo och samtidigt ansätter dI som dl = 11 - IQ dvs differensen mellan två på varandra följande sampelvärden av strömmen I och samtidigt ansätter dIN som dIN = IN1 - INo dvs differensen mellan två på varandra följande sampelvärden av nollföljdsströmmen samt att "dt" definieras som tiden mellan två på varandra följande sarnpelvärden vilket också innebär att (mgdt) motsvarar vinkeln mellan två på varandra följande sampel, så kan spänningsbalansekvationen (4) skrivas 5 U = OKRLI + XLfli-Im/(wodt) +RNIN + XNUNI-INM/(wodü) + IFRP (5) Spärmingsbalansekvationen (3) innefattar tre olika strömmar, nämligen I, IN och IF. Av dessa är I direkt mätbar, nollföljdsströmmen IN kan erhållas bl a som summan av samtliga fasströmmar medan man för felströmmen Ip får göra en ansats.

Till skillnad mot teknikens ståndpunkt ingår det i uppfinningen att vid ansats av felström även ta hänsyn till inmatning av felström till felstället från ledningens båda ändar. Ett sätt att åstadkomma detta beskrivs i svensk patentansökan 9201972-8 "Felströmsfilter". Av denna framgår det att ett mått på felströmmen kan erhållas genom att summera uppmätta strömsampel för varje fas vid två närliggande tidpunkter och där värdet på varje strömsampel multipliceras med var sin koefficient som väljs så att felströmmen blir i fas med plus- och minusföljdsströmförändringama.

Om man skall göra beräkningar på en utökad felrnodell enligt figur 3 med utgångspunkt från motsvarande spänningsbalansekvationer för att få ett mått på "oc" och Rp, måste man dessutom ha tillgång till beräknade värden på den transformerade ledningsimpedansen ZL och nollföljdsimpedansen ZN med sina respektive resistiva och induktiva komposanter.

För att kunna få ett mått på "ot" och Rp kan man som visats ovan utgå från någon av spärmingsbalansekvationema (4) eller (5). Detta förutsätter dock att man också måste ha tillgång till både Izs och lNzs derivator.

Derivatoma kan antingen erhållas genom ren derivation eller med hjälp av strömdifferensen mellan tvåa på varandra följande sampelvärden, dvs som visats i ekvation (5).

Man har nu således, förutom tillgång till den utökade felrnodellens parametrar ZL och ZN, tillgång till sex av de återstående åtta varierande signalparametrama i ekvationen, nämligen U, I, IN och därmed även dI/dt och dIN/dt samt felströmmen Ip. För att kunna lösa parametrarna "ot" och RF använder man sig enligt uppfinningen av den möjlighet till ortogonal behandling som omtalats tidigare. Genom denna behandling, dvs framtagning av signalparametramas realdel och imaginärdel, kan för varje mätning två spänningsbalansekvationer (4r) och (4i) uppställas enligt följande, där index "r" indikerar respektive realdel och "i" indikerar respektive imaginärdel: U; = ot(RLIr + LLdIr/dt +RNINI + LNdINI/dt) + IFIRF (4r) Ui = 0t(R1,Ií + LLdIi/ dt +RNINí + LNClINi/dt) + IFiRF (4i) 6 Utan att gå in på några mellanräkningar kan man visa att "ot", dvs det relativa avståndet från mätstationen till felet F kan skrivas som <1 = (Uf ~I1=i - Ui -IFQ/(UHI-Iri - UHi-IFr) (6) där UH, = kj-Ir + kg-IN; + kg-dlf + k4-dINr (7) UHi = kj-Ii + k2-INi + kg-dli + k4-dINi (8) med koefficienterna k1, kg, k3 och k4 bestämbara med hjälp av den utökade felmodellens parametrar RL, LL, RN och LN enligt följande k1 = RL, kg = RN, k3 = XL/(ngdt = LL/dt, k4 = XN/(IJOdt = LN/dt Ur spänningsbalansekvationerna (4r) och (4i) kan på motsvarande sätt erhållas ett värde på felresistansen Rp. I praktiken är man dock ej intresserad av detta värde eftersom kriterierna för utlösning av ett ledningsnät förutom kontroll av om värdet på "ot" ligger mellan 0 och 1 i regel utgår från en kontroll av om IZI = IUA /IAI < Zin dvs via ett vanligt underimpedansrelä med en inställning Zin understigande normal belastningsimpedans.

Anslutning av distansskyddet till ledningsnätet sker på samma sätt som för ledningsnätet enligt figur 1 och framgår av figur 4 där den använda utökade felmodellens ekvivalenta schema visas. Den utökade fehnodellen beskrivs av en distansskyddsekvation som baseras på någon av de tidigare redovisade ekvationema där man har tagit hänsyn till nollföljds- impedansen. Dessutom har man vid ansats av felström tagit hänsyn till inmatning av felström till felstället från ledningens båda ändar.

Signalbehandling och beräkningsförfarandet för att få fram underlag för kriteriema för utlösning av ledningen baseras på samma filtrering och ortogonalbehandling av mätsignalerna som omtalats i nämnda Cigre- rapport.

REOGÖRELSE FÖR UTFÖRINGSFORMER En anordning för att genomföra förfarandet för att få ett relativt mått "ot" på avståndet från en mätstation till ett fel på en kraftledning med hjälp av en utökad felmodell enligt figur 3 framgår av figur 4.

Anordningen utgör en konkretisering av de under redogörelsen för ,_-_W 7 uppfinningen framtagna spänningsbalansekvationema med underlag i form av spänningsbalansekvationema (4r), (4i), (7) och (8). Anordningen enligt figur 4 återger en utföringsforrn för en av faserna och vars ström I och spänning Ukan tillhöra vilken som av faserna R, S och T. Det förutsättes vidare dels att samtliga fasströmmar är tillgängliga för att kunna få ett mått på den nollföljdsström IN som uppstår vid ett fel på ledningsnätet och dels att en felström Ip erhållen med hjälp av ovan nämnda felströmsfilter är tillgänglig. Samtliga insignaler utgöres av sarnplade numeriska värden. Beteckningar indexerade med "O" och "l" avser som tidigare omtalat två på varandra föjande sampelvärden.

Dessutom utgår man från kända värden på ledningsnätets impedans och nollföljdsimpedansen med sina respektive resistans- och reaktansdelar, för att kunna välja lämpliga inställningar av fehnodellen.

I ett distansskydd enligt uppfinningen finns sålunda för varje fas en anordning enligt figur 4. Anordningen tillföres kontinuerligt mätvärden eller på annat sätt framtagna värden på fasspänningen U, fasströmmen I, nollföljdsströmmen IN och felströmmen Ip. Som det framgår av nämnda ekvationer behövs information om både fasströmmarnas och nollföljdsströmmens derivator. Det finns enligt teknikens ståndpunkt ett flertal olika metoder att tillgå för att få ett mått på dessa derivator. I figur 4 har indikerats ett sätt som hänför sig till spärmingsbalansekvationen (5), dvs att man får ett mått på derivatoma med hjälp av två på varandra följande sampelvärden. För fasströmmens del sker detta via tidsfördröjningselementet 5 och dl-bildaren 6 och för nollföljds- strömmens del med tidsfördröjningselementet 7 och diN-bildaren 8.

Som omtalat under teknikens ståndpunkt är det känt bl a från A.

Engqvists och L Erikssons Cigre-rapport 34-04, 1988 hur samplade mätvärden kan filtreras och behandlas så att mätsignalema kan uppdelas i sina respektive real- och imaginärdelar. Samtliga sex ovan nämnda tillgängliga samplade signaler tillföres nu en "filter- och ortogonal- bildarenhet" 9 för filtrering och behandling för framtagning av dessa signalers real- och imaginärdelar varvid tillgång kommer att finnas för värden på Ur, Ui, If, Ii, dlr, dIi, INr, lNi, dlNf, dINi, IF; och Ipi. Detta innebär att tillsammans med kända data för ledningsnätet finns samtliga nödvändiga parametrar för bestämning av det relativa felavståndet "ot" tillgängliga.

Som det har framgått av redogörelsen för uppfinningen kan koefficientema k1, kg, k3 och k4 bestämmas med hjälp av ledningsnätets parametrar RL, LL, RN och LN. Genom att ansätta k1 i koefficient- enhetema 10 och ll, kg i koefficientenheterna 12 och 13, k3 i koefficientenhetema 14 och 15 samt k4 ikoefficientenhetema 16 och 17 kan i enlighet med ekvation (8) hjälpstorheten UHr bestämmas via en första summator 18 som tillföres kj-Ir, kg-INI, k3-dI1- och k4-dINr och på motsvarande sätt kan enligt ekvation (9) hjälpstorheten Um bestämmas via en andra summator 19 som tillföres kj-Ii, kg-lNi, k3-dlg och k4-dINi.

Genom att sedan i en första multiplikator 20 multiplicera UH; med imaginärdelen av felströmmen, dvs Ip; för bildande av en första produkt UHr-Ipi och i en andra multiplikator 21 multiplicera UHi med realdelen av felströmmen, dvs IF; för bildande av en andra produkt Ufli-IFI och därefter i en differensbildare 22 bilda differensen mellan den första och den andra produkten bildande ett värde på nänmaren otn i ekvation (6).

Genom att i en tredje multiplikator 23 multiplicera fasspärmingens realdel Ur med irnaginärdelen av felströmmen, dvs Ipi för bildande av en tredje produkt Ur-Ipi och i en fjärde multiplikator 24 multiplicera fas- spänningens imaginärdel Ui med realdelen av felströmmen, dvs Ip; för bildande av en fjärde produkt Ui-Ipr och därefter i en differensbildare 25 bilda differensen mellan den tredje och den fjärde produkten bildande ett värde på täljaren otti ekvation (6). Med på detta sätt framtagna värden på ot; och otn kan man via en första kvotbildare 26 få ett mått på det relativa avståndet från mätstationen P till felet F.

Av figur 4 framgår också de mera praktiska förutsättningama för att felet skall leda till utlösning av brytaren 3. Ett första kriterium för att felet skall uppfattas som ett fel på ledningen mellan P och Q är att det framtagna värdet på "ot" ligger inom gränsema 0 < ot < 1. l praktiken ansätter man dock det högre värdet till ett värde "k" något lägre än 1.

Denna gränsdragning kan ske med hjälp av ett första väljarelement 27.

Som omtalat under redogörelsen för uppfinningen förutsätts i regel att åtminstone två kriterier skall vara uppfyllda för att aktuell ledning eller fas skall kopplas bort. Det andra kriteriet kontrolleras ofta med hjälp av ett konventionellt underimpedansrelä där man via en andra kvotbildare 28 med hjälp av fasspänningen U och fasströmmen I tar reda på den impedans som ledningsnätet representerar. Om den så erhållna impedansen är lägre än tillåten underimpedans Zin, vilket kan kontrolleras via en andra väljare 29, är också det andra kriteriet för utlösning uppfyllt. Exekvering av utlösning av brytare 4 kan då ske via ett och- element 30. v;

Claims (5)

PATENTKRAV

1. l. Förfarande för att vid fel på en kraftledning bestämma det relativa avståndet "ot" till felet från en i anslutning till kraftledningens ena ände belägen mätstation P och att förfarandet baseras på en i ett distansskydd inbyggd fehnodell representerande det aktuella kraftnätet och en ansats om en felresistans Rp och en via mätstationen till felstället inmatad felström Ip och att distansskyddet förses med information om kraftledningens till felmodellen transformerade impedans ZL respektive resistans RL och induktans LL samt kontinuerligt tillföres samplade mätvärden på kraftnätets fasströmmar I och fasspänningar U och att distansskyddet anordnas' med en enhet (9) för A/D-omvandling, filtrering och ortogonalbehandling av framtagna värden, vilket förfarande k ä n n e t e c k n a s av att en utökad felrnodell bildas i vilken innefattas kraftnätets till felmodellen transforrnerade nollföljdsimpedans ZN respektive nollföljdsresistans RN och nollföljdsinduktans LN och motsvarande transformerade nollföljdsström IN samt en ansats om inmatning av felström till felstället även från kraftledningens andra ände och att det relativa avståndet till felet bestäms med utgångspunkt från den spänningsbalansekvation som kan ställas upp för den utökade felrnodellen.

2. Förfarande för att vid fel på en kraftledning bestämma det relativa avståndet "ot" till felet från en i anslutning till kraftledningens ena ände belägen mätstation P enligt patentkrav l, vilket förfarande k ä n n e t e c k n a s av att för den utökade felrnodellen kan spännings- balansekvationen uttryckas som U = OL(ZLI + ZNIN ) +I1=R1= (3) eller som U = 0t(RLI + LLdI/dt +RNIN + LNdIN/dt) + I1=R1= (4) eller som U = OKRLI + XL(I1-Io)/(wodI)+RNIN + XNflNi-lNm/(wodt) ) +I1=R1= (5) där LL har ersatts av XL/wo där XL är ledningsreaktansen vid nominell frekvens m0 och där LN har ersatts av XN/cog där XN är nollföljds- reaktansen vid nominell frekvens m0 och där dl har ersatts av differensen mellan två på varandra följande sampelvärden 10 och I1 av fasströmmen I och där dIN har ersatts av differensen mellan två på varandra följande sampelvärden INO och IN1 av nollföljdsströmmen IN och där dt är lika 10 med tidsskillnaden mellan två på varandra följande sampel och där (cogdt) är vinkeln mellan två på varandra fölande sampel.

3. Förfarande för att vid fel på en kraftledning bestämma det relativa avståndet "ot" till felet från en i anslutning till kraftledningens ena ände belägen mätstation P enligt patentkrav 1, vilket förfarande k ä n n e t e c k n a s av att felströmmen i spänningsbalansekvationen ansättes som summan av uppmätta strömsampel för varje fas vid två närliggande tidpunkter och där värdet på varje strömsampel multipliceras med var sin koefficient som väljs så att felströmmen blir i fas med plus- och minus-följdsströmförändringama.

4. Förfarande för att vid fel på en kraftledning bestämma det relativa avståndet "ot" till felet från en i anslutning till kraftledningens ena ände belägen mätstation P enligt patentkrav l, vilket förfarande k ä n n e t e c k n a s av att med hjälp av ortogonalbildaren i distansskyddet bildas för varje sampeltillfälle mätsignalemas realdel och imaginärdel varvid för varje mätning två spärmingsbalansekvationer kan uppställas vilka med utgångspunkt från U = oc(RLI + LLdI/dt +RNIN + LNdIN/dt) + IFRF (4) får fonnen U; = OKRLI; + LLdlr/dt +RNIN; + LNdlNr/dt) + IFIRF (4r) Ui = oc(RLIi + LLdI1/dt+RNINí+ LNdINi/dt) + lpiRp (4i) där "r" indikerar respektive realdel och "i" respektive imaginärdel och vilka ekvationers lösning med avseende på det relativa avståndet "oz" från mätstationen till felet ger <1 = (Ur -IFi - Ui -IFQ/(UHr-Iri - UHrIFr) (6) där UH; = kj-I; + kg-IN; + kg-dlr + k4-dIN1- (7) UHi = ki-Ii + k2-IN1+ ks-dïi + k4-dINi (3) där koefficientema k1, kg, k3 och k4 bestäms med hjälp av ledningsnätets parametrar enligt k1 = RL, kg = RN, k3 = LL/dt, k4 = LN/dt f) 11

5. Anordning för genomförandet av förfarandet enligt patentkrav 1 för att vid fel på en kraftledning bestämma det relativa avståndet "oc" till felet från en i anslutning till kraftledningens ena ände belägen mätstation P vilken anordning för varje fas ingår i ett distansskydd och som är anordnad med insignaler i form av samplade mätvärden på fasström I, fasspänning U, nollföljdsström IN och felström Ip och som är försedd med information om kraftledningens till felmodellen transforrnerade impedans ZL, resistans RLoch induktans LL samt kraftnätets till felmodellen transforrnerade nollföljdsimpedans ZN, nollföljdsresistans RN och nollflöjdsinduktans LN, k ä n n e t e c k n a d av att den är anordnad att exekvera ekvationen (X = (Ur ~1Fi - Ui -Inrà/(UHI-Iri - UHi-IFr) (6) där UH; = k1-I; + kg-IN; + k3-dI; + k4-dIN; (7) UH; = k1-Ii + kg-IN; + k3-dI1 + k4-dINi (8) där k1 = RL, kg = RN, k3 = LL/dt, k4 = LN /dt för vilket den innefattar tidsfördröjningselement (5, 7), en dI-bildare (6) och en dIN-bildare (8), en filter- och ortogonalbildarenhet (9) för bildande av fasspänningens realdel U; och imaginärdel Ui, fasströmmens realdel I; och imaginärdel Ii, realdel dI; och imaginärdel dIi av dI, nollföljdsströmmens realdel IN; och imaginärdel INi, realdel dIN; och imaginärdel dINi av dIN, felströmmens realdel Ip; och imaginärdel Ipi, koefficientenheter (10, 17) för koefficientema k1, kg, k3 och k4, en första summator (18) för bildande av UH; enligt ekvation (7), en andra summator (19) för bildande av UH; enligt ekvation (8), en första multiplikator (20) för bildande av en första produkt UH;-I1=i , en andra multiplikator (21) för bildande av en andra produkt UHi-Ip;, en första differensbildare (22) för bildande av differensen mellan den första och den andra produkten, en tredje multiplikator 23 för bildande av en tredje produkt U;-IF;, en fjärde multiplikator 24 för bildande av en fjärde produkt Ui-IH, en andra differensbildare 25 för bildande av differensen mellan den tredje och den fjärde produkten och en första kvotbildare (26) för bildande av kvoten mellan den andra och den första differensbildarens utsignal vilket värde utgör det relativa felavståndet ot.