Метод оценки местоположения повреждения на основе двухтерминальных бегущих волн с использованием скользящего стандартного отклонения для линий передачи, оснащённых UPFC

Почему важно точно определять место повреждения линий электропередачи

Когда в высоковольтной линии передачи происходит повреждение — короткое замыкание или внезапный пробой — напряжение может мерцать, происходить локальные отключения и повреждаться оборудование. Современные сети применяют сложную электронику, такую как унифицированные контроллеры потока мощности (UPFC), чтобы пропускать больше энергии по существующим линиям и удерживать напряжения в допустимых пределах. Однако эти устройства затрудняют определение точного места повреждения вдоль линии. В статье предлагается более простой и быстрый способ с высокой точностью находить такие повреждения, даже когда UPFC и электрические помехи усложняют сигналы.

Как ведут себя линии передачи при неисправностях

Линии передачи длиной в сотни километров ведут себя отчасти как длинные металлические волноводы. Когда происходит авария — например пробой на землю или контакт между фазами — возникают резкие электрические «бегущие волны», которые распространяются по линии в обоих направлениях с почти световой скоростью. Если инженеры могут регистрировать точный момент прихода этих волн к каждому концу линии, они могут вычислить, где началось возмущение, аналогично тому как определяют эпицентр землетрясения по времени прихода волн на разные сейсмостанции. Такой подход, известный как локализация повреждений по бегущим волнам, в теории очень точен, но на практике требует сверхбыстрой съёмки и может быть искажен устройствами вроде UPFC, которые меняют форму, синхронизацию и амплитуду напряжений и токов.

Электроника, которая помогает — и мешает — работе сети

UPFC представляет собой мощный класс устройств гибкой передачи переменного тока (FACTS), включаемых последовательно и шунтирующих линию передачи. Они могут направлять потоки мощности, удерживать напряжения в заданных пределах и повышать устойчивость, позволяя существующим коридорам передавать больше энергии. Но вследствие введения и поглощения напряжения управляемым образом UPFC изменяют форму, время и интенсивность генерируемых при повреждении бегущих волн, на которые опираются традиционные схемы определения места повреждения. Существующие методы часто используют сложные преобразования сигналов, модели машинного обучения или детальные параметры сети, и многие из них испытывают трудности при умеренных частотах дискретизации, высоком уровне шума или изменениях настроек UPFC. Остаётся потребность в методе, который сохраняет простоту и устойчивость в реальных условиях работы.

Проще способ считывать волны

Авторы предлагают метод определения места повреждения, опирающийся на простую статистическую идею — скользящее стандартное отклонение. Сначала они преобразуют трёхфазные напряжения, измеренные на каждом конце линии, в единый «аэрильный» (нулевой/поперечный) режим с помощью стандартного математического поворота (преобразования Кларка). Этот шаг выделяет часть сигнала, где связанные с повреждением колебания проявляются наиболее чётко. Затем, вместо тяжёлых декомпозиций сигналов, по этому аэрильному сигналу скользит короткое временное окно, внутри которого вычисляют, насколько сигнал варьируется. Когда приходит бегущая волна, локальная изменчивость — и, следовательно, скользящее стандартное отклонение — резко возрастает, образуя отчётливый пик. Отмечая времена пиков на обоих терминалах и зная скорость распространения волны, метод даёт возможность триангуляции места повреждения вдоль линии.

Испытания метода в условиях, приближённых к реальным

Для проверки подхода исследователи смоделировали коридор передачи 500 кВ длиной 200 км, оснащённый UPFC мощностью 100 МВА и несколькими генераторами. Они смоделировали широкий набор условий повреждений: разные расстояния вдоль линии, все типы повреждений (от однофазных до многофазных и на землю), широкий диапазон сопротивлений повреждения и множество начальных фаз относительно питающей частоты. Они также нагружали систему близкими и удалёнными повреждениями, переключали UPFC между его типичными режимами работы, варьировали целевые параметры управления, снижали частоту дискретизации до значений, намного ниже тех, что обычно требуются для методов по бегущим волнам, и добавляли сильный шум, соответствующий низким отношениям сигнал/шум.

Что говорят результаты о надёжности сети

Во всём этом обширном наборе сценариев метод со скользящим стандартным отклонением стабильно определял место повреждения с точностью до долей процента от длины линии, с типичными ошибками порядка нескольких десятых километра на участке длиной 200 км. Эта точность сохранялась даже при частоте дискретизации всего 60 Гц — на порядки ниже сотен килогерц, которые обычно предполагают для схем по бегущим волнам — и при сильном шумовом загрязнении сигналов. По сравнению со сложными методами на основе вейвлетов, преобразований или нейронных сетей, предложенный способ достигал сопоставимой или лучшей точности, работая за менее чем 0,05 секунды и используя только терминальные измерения напряжения. Для операторов сетей это означает практический инструмент, который можно встроить в существующие цифровые реле или фазорные измерительные устройства, обеспечивая быстрое и надёжное определение мест повреждений на линиях с UPFC и в итоге способствуя более быстрому восстановлению и повышению устойчивости энергосетей.

Цитирование: Mishra, S., Kumar, R., Kumari, S. et al. Moving standard deviation assisted two-terminal traveling wave based fault location estimation technique for transmission system incorporated with UPFC. Sci Rep 16, 12338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42393-3

Ключевые слова: защита энергосистем, локализация повреждения, бегущие волны, устройства FACTS, унифицированный контроллер потока мощности