Προηγμένοι αλγόριθμοι εντοπισμού σφαλμάτων σε γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση συγχρονισμένων ή μη μετρήσεων

Abstract

Due to the increasing complexities of modern power systems, improving the existing techniques of protection, control and measurement and developing new innovative ones have got much attention recently. The goal is to enhance the overall power system performance. A few years ago, the supplementary protection equipment such as fault locators has got little consideration compared with the main protection one. Nowadays, it has been widely recognized that prompt and accurate location of faults in power systems can accelerate system restoration, reduce outage time and improve the system reliability. This has led to remarkable investments in research for fault location methodologies, which has attracted the attention of power system protection community. The essential factors behind these new strategies are due to the competitive markets and new deregulation policies, in which the terms such as continuity, dependability and reliability play an important role for electric utilities. This thesis focuses on the development of advanced fault location algorithms for overhead transmission lines with use of two-end synchronized or unsynchronized measurements. The following criteria are established for the purpose of evaluating the proposed algorithms, which differentiate them from the existing ones: a) the accuracy of measurements used as input data, b) the exclusion of user-defined parameters or parameters that can be supplied from external sources (e.g. protective relays, SCADA), which can highly affect the fault location accuracy (e.g. electrical parameters of transmission lines, the compensation device model in series-compensated transmission lines, the fault type, the source impedance at line terminals etc.), c) the accuracy of transmission line models adopted (e.g. short, medium and long lines for phasor domain algorithms), d) the utilization of limited measurement data from both line ends, in order to reduce the burden of communication channels employed to transfer the required data.Based on the above criteria, this thesis presents new accurate fault location algorithms for single-circuit transmission lines (with or without transposition) and double-circuit transmission lines (with or without transposition, with or without series compensation, short/medium/long length line model). The thesis provides extensive evaluation studies of the proposed algorithms with use of reliable ATP/EMTP simulation data of faults applied under various system/fault conditions, at different locations on single/double-circuit transmission lines. Moreover, a practical and precise method is developed for calculating voltage and current phasors in electric power networks, which are used as input data to the proposed fault location algorithms, under frequency variations.

Η ολοένα αυξανόμενη πολυπλοκότητα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) καθιστά αναγκαία όσο ποτέ άλλοτε τη βελτίωση των υπαρχουσών τεχνικών προστασίας, ελέγχου και μετρήσεων, και την ταυτόχρονη ανάπτυξη νέων καινοτόμων μεθόδων για την αποδοτικότερη λειτουργία τους. Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, ο συμπληρωματικός εξοπλισμός προστασίας των ΣΗΕ, όπως οι εντοπιστές σφαλμάτων στις εναέριες γραμμές μεταφοράς και στα υπόγεια καλώδια, δε χρησιμοποιείτο συστηματικά. Τα τελευταία, όμως, χρόνια έχει γίνει ευρέως αποδεκτό ότι η γρήγορη και ακριβής εύρεση της θέσης του σφάλματος επιταχύνει σημαντικά το χρόνο αποκατάστασης των βλαβών στα ΣΗΕ, μειώνει τη διάρκεια των διακοπών της παρεχόμενης ισχύος προς τους καταναλωτές, και γενικά βελτιώνει την αξιοπιστία τους. Αναγνωρίζοντας τη σπουδαιότητα των παραγόντων αυτών για τις εταιρείες ηλεκτρισμού, παρατηρείται μία ολοένα αυξανόμενη ζήτηση για αποτελεσματικές μεθόδους εντοπισμού σφαλμάτων, γεγονός που έχει στρέψει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας που ασχολείται με την προστασία των ΣΗΕ σ’ αυτή την περιοχή έρευνας.Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη προηγμένων αλγορίθμων εντοπισμού σφαλμάτων σε εναέριες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, με χρήση συγχρονισμένων ή μη μετρήσεων στα άκρα τους. Ως κριτήρια απόδοσης των αλγορίθμων, τα οποία τους διαφοροποιούν από τις υπάρχουσες μεθόδους, ορίζονται: α) η ακρίβεια των μετρήσεων, που χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου, β) η εξάλειψη των παραμέτρων που ορίζονται από το χρήστη ή λαμβάνονται από εξωτερικές πηγές (π.χ. H/N προστασίας, SCADA), και οι οποίες μπορούν να εισαγάγουν σημαντικό σφάλμα στην ακρίβεια των παραγόμενων αποτελεσμάτων (π.χ. ηλεκτρικές παράμετροι των γραμμών, μοντέλο της διάταξης σειριακής αντιστάθμισης σε γραμμές με αντιστάθμιση σειράς, τύπος του σφάλματος, ισοδύναμα δίκτυα στα άκρα των γραμμών κτλ.), γ) η ακρίβεια του μοντέλου αναπαράστασης των γραμμών μεταφοράς, π.χ. αν πρόκειται για γραμμές μικρού, μεσαίου ή μεγάλου μήκους, δ) ο περιορισμός των αξιοποιούμενων δεδομένων μέτρησης από κάθε άκρο των γραμμών, ώστε να αποφεύγονται προβλήματα συμφόρησης στα κανάλια επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά τους. Με βάση τα παραπάνω κριτήρια, στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται επιτυχώς και παρουσιάζονται λεπτομερώς, καινοτόμοι αλγόριθμοι εντοπισμού σφαλμάτων σε γραμμές μεταφοράς απλού κυκλώματος (με ή χωρίς αντιμετάθεση φάσεων) και διπλού κυκλώματος (με ή χωρίς αντιμετάθεση φάσεων, με ή χωρίς χωρητική αντιστάθμιση σειράς, με χρήση μοντέλου μικρού, μεσαίου και μεγάλου μήκους). Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι επαληθεύονται μέσω λεπτομερών προσομοιώσεων σφαλμάτων από το πρόγραμμα υπολογισμού ταχέων μεταβατικών φαινομένων ATP/EMTP. Επιπλέον, αναπτύσσεται και παρουσιάζεται μια νέα μέθοδος υπολογισμού των φασιθετών των μετρούμενων τάσεων και εντάσεων, που θεωρούνται ως δεδομένα εισόδου στους παραπάνω αλγορίθμους, όταν η συχνότητα του συστήματος μεταβάλλεται.