A Study of Power Line Simulation Models for Fault Location and Remote Diagnostics
Keywords:
traveling wave, traveling wave fault location, active location method, probing, reflection, overhead power line, simulation
Abstract
The article addresses the development of a method for locating a power line fault based on comparing a radiated high-frequency pulse and its reflection. The signal propagation from a segment in the form of an overhead power line’s single span is studied. Special attention is paid to a line support pole introduced into the model by means of lumped elements. An analytical method for calculating refractions and reflections is proposed, and its numerical analogs are evaluated in a wide range of modeling steps. The research method is based on an analysis of amplitude-frequency and phase-frequency responses of digital models. Calculations of broadband signal propagation in a typical overhead power line are presented. The signal amplitude and integral parameters before and after line transformations are estimated. Practical aspects of simulation related to the attenuation and expansion of pulses with time are demonstrated. It is shown that a series of refractions and reflections has a heterogeneous effect on probing pulses. These effects are stemming from a change in the signal spectrum in the line. The results of studies and calculations can be used in simulating and evaluating reflections from extended power line sections for fault location and remote diagnostics purposes.
References
1. РД 34.35.517-89. Методические указания по определению мест повреждения воздушных линий напряжением 110 кВ и выше с помощью фиксирующих приборов. М.: Союзтехэнерго, 1989, 93 с.
2. Кондратьева О.Е. и др. Современные подходы к определению мест повреждения высоковольтных кабельных линий. – Электричество, 2022, № 12, с. 59–66.
3. Иванова Е.А. Комбинированный способ определения места повреждения в линии электропередачи переменного тока. – Электричество, 2015, № 7, с. 12–20.
4. СТО 34.01-4.1-001-2016. Устройства определения места повреждения воздушных линий электропередачи. Общие технические требования. М.: ПАО «РОССЕТИ», 2017, 60 с.
5. Лачугин В.Ф. Релейная защита объектов электроэнергетических систем, основанная на использовании волновых методов: автореферат дис. ... доктора техн. наук. Иваново, 2016, 40 с.
6. Куликов А.Л., Лоскутов А.А., Пелевин П.С. Алгоритм идентификации поврежденного участка на кабельно-воздушных линиях электропередачи на основе распознавания волновых портретов. – Электричество, 2018, № 3, с. 11–17.
7. Подшивалин А.Н., Исмуков Г.Н., Терентьев Г.В. Оптимальный подход к локации повреждений линии электропередачи на основе анализа волновых рядов. – Энергетик, 2019, № 11, c. 14–16.
8. Crossley P.A., McLaren P.G. Distance Protection Based on Travelling Waves. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1983, vol. PAS-102, No. 9, pp. 2971–2983, DOI: 10.1109/TPAS.1983.318102.
9. Куликов А.Л. Дистанционное определение мест повреждений ЛЭП методами активного зондирования. М.: Энергоатомиздат, 2006, 147 с.
10. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения линий электропередачи импульсными методами. М.: Энергия, 1968, 215 с.
11. Ghaderi A., Mohammadpour H.A., Ginn H.L. Active Fault Location in Distribution Network Using Time-Frequency Reflectometry. – IEEE Power and Energy Conference at Illinois (PECI), 2015, vol. 6, DOI:10.1109/PECI.2015.7064884.
12. Минуллин Р.Г., Губаев Д.Ф. Обнаружение гололедных образований на линиях электропередачи локационным зондированием. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010, 208 с.
13. Подшивалин А.Н., Исмуков Г.Н. Наблюдение гололедных образований средствами активного волнового ОМП. – Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России: VII Межд. науч.-практ. конф.: сб. докл., Чебоксары, 2023, с. 272–276.
14. Касимов В.А. Метод локационного мониторинга гололедообразования и повреждений на воздушных линиях электропередачи и программно-аппаратные комплексы для его реализации: дис. … доктора техн. наук. Казань, 2019, 395 с.
15. Костенко М.В., Перельман Л.С., Шкарин Ю.П. Волновые процессы и электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения. М.: Энергия, 1973, 271 с.
16. Куликов А.Л., Петрухин А.А., Свечников А.С. Время-частотные зависимости сложных сигналов и их влияние на определение мест повреждений линий. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2010, № 11-12, с. 101–107.
17. Куликов А.Л. Имитационное моделирование зондирования линий электропередачи линейно частотно-модулированными сигналами. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2007, № 5-6, с. 52–62.
18. Пат. RU42324U1. Устройство для определения места повреждения линий электропередачи и связи / А.Л. Куликов, Д.А. Куликов, 2004.
19. Lin S. et al. Travelling Wave Time-Frequency Characteristic-Based Fault Location Method for Transmission Lines. – IET Generation, Transmission & Distribution, 2012, No. 6(8), pp. 764–772, DOI: 10.1049/iet-gtd.2011.0703.
20. Каппелини В., Константинидис А.Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. М.: Энергоатомиздат, 1983, 360 с.
21. Oppenheim A.V., Willsky A.S., Young I.T. Signals and Systems, Prentice-Hall, 1983, 796 p.
#
1. RD 34.35.517-89. Metodicheskie ukazaniya po opredeleniyu mest povrezhdeniya vozdushnyh liniy napryazheniem 110 kV i vyshe s pomoshch'yu fiksiruyushchih priborov (Methodological Guidelines for Determining the Places of Damage to Overhead Lines with a Voltage of 110 kV and above Using Fixing Devices). M.: Soyuztekhenergo, 1989, 93 p.
2. Kondrat'eva О.Е. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 12, pp. 59–66.
3. Ivanova Е.А. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2015, No. 7, pp. 12–20.
4. SТО 34.01-4.1-001-2016. Ustroystva opredeleniya mesta po-vrezhdeniya vozdushnyh liniy elektroperedachi. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya (Devices for Determining the Location of Damage to Overhead Power Lines. General Technical Requirements). М.: PАО «RОSSЕТI», 2017, 60 p.
5. Lachugin V.F. Releynaya zashchita ob"ektov elektroenerge-ticheskih sistem, osnovannaya na ispol'zovanii volnovyh metodov: avtoreferat dis. ... doktora tekhn. nauk (Relay Protection of Objects of Electric Power Systems Based on the Use of Wave Methods: Abstract … Dr. Sci. (Eng.)). Ivanovo, 2016, 40 p.
6. Kulikov A.L., Loskutov A.A., Pelevin P.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 3, pp. 11–17.
7. Podshivalin A.N., Ismukov G.N., Terent'ev G.V. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2019, No. 11, pp. 14–16.
8. Crossley P.A., McLaren P.G. Distance Protection Based on Travelling Waves. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1983, vol. PAS-102, No. 9, pp. 2971–2983, DOI: 10.1109/TPAS.1983.31810.
9. Kulikov A.L. Distantsionnoe opredelenie mest povrezhdeniy LEP metodami aktivnogo zondirovaniya (Remote Detection of Power Line Damage Sites by Active Sensing Methods). М.: Energoatomizdat, 2006, 147 p.
10. Shalyt G.M. Opredelenie mest povrezhdeniya liniy elektroperedachi impul'snymi metodami (Determination of Places of Damage to Power Transmission Lines by Pulse Methods). M.: Energiya, 1968, 215 p.
11. Ghaderi A., Mohammadpour H.A., Ginn H.L. Active Fault Location in Distribution Network Using Time-Frequency Reflectometry. – IEEE Power and Energy Conference at Illinois (PECI), 2015, vol. 6, DOI:10.1109/PECI.2015.7064884.
12. Minullin R.G., Gubaev D.F. Obnaruzhenie gololednyh obrazovaniy na liniyah elektroperedachi lokatsionnym zondirovaniem (Detection of Ice Formations on Power Transmission Lines by Location Sensing). Kazan': Kazan. gos. energ. un-t, 2010, 208 p.
13. Podshivalin A.N., Ismukov G.N. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya elektroenergeticheskih sistem Rossii: VII Mezhd. nauch.-prakt. konf. – in Russ. (Relay Protection and Automation of Electric Power Systems in Russia: VII International Scientific and Practical Conference), Cheboksary, 2023, pp. 272–276.
14. Kasimov V.А. Metod lokatsionnogo monitoringa gololedoob-razovaniya i povrezhdeniy na vozdushnyh liniyah elektroperedachi i programmno-apparatnye kompleksy dlya ego realizatsii: dis. … doktora tekhn. nauk (The method of Location Monitoring of Ice Formation and Damage on Overhead Power Lines and Software and Hardware Comple-xes for Its Implementation: Dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). Kazan', 2019, 395 p.
15. Kostenko M.V., Perel'man L.S., Shkarin Yu.P. Volnovye protsessy i elektricheskie pomekhi v mnogoprovodnyh liniyah vysokogo napryazheniya (Wave Processes and Electrical Interference in High-Voltage Multi-Conductor Lines). M.: Energiya, 1973, 271 p.
16. Kulikov A.L., Petruhin A.A., Svechnikov A.S. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Energy Sector Problems), 2010, № 11-12, с. 101–107.
17. Kulikov A.L. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Energy Sector Problems), 2007, No. 5-6, pp. 52–62.
18. Pat. RU42324U1. Ustroystvo dlya opredeleniya mesta povrezh-deniya liniy elektroperedachi i svyazi (A Device for Determining the Location of Damage to Power Lines and Communications) / А.L. Kulikov, D.А. Kulikov, 2004.
19. Lin S. et al. Travelling Wave Time-Frequency Characteristic-Based Fault Location Method for Transmission Lines. – IET Generation, Transmission & Distribution, 2012, No. 6(8), pp. 764–772, DOI:10.1049/iet-gtd.2011.0703.
20. Kappelini V., Konstantinidis A.Dzh., Emiliani P. Tsifrovye fil'try i ih primenenie (Digital Filters and Their Application). M.: Energoatomizdat, 1983, 360 p.
21. Oppenheim A.V., Willsky A.S., Young I.T. Signals and Systems, Prentice-Hall, 1983, 796 p.
2. Кондратьева О.Е. и др. Современные подходы к определению мест повреждения высоковольтных кабельных линий. – Электричество, 2022, № 12, с. 59–66.
3. Иванова Е.А. Комбинированный способ определения места повреждения в линии электропередачи переменного тока. – Электричество, 2015, № 7, с. 12–20.
4. СТО 34.01-4.1-001-2016. Устройства определения места повреждения воздушных линий электропередачи. Общие технические требования. М.: ПАО «РОССЕТИ», 2017, 60 с.
5. Лачугин В.Ф. Релейная защита объектов электроэнергетических систем, основанная на использовании волновых методов: автореферат дис. ... доктора техн. наук. Иваново, 2016, 40 с.
6. Куликов А.Л., Лоскутов А.А., Пелевин П.С. Алгоритм идентификации поврежденного участка на кабельно-воздушных линиях электропередачи на основе распознавания волновых портретов. – Электричество, 2018, № 3, с. 11–17.
7. Подшивалин А.Н., Исмуков Г.Н., Терентьев Г.В. Оптимальный подход к локации повреждений линии электропередачи на основе анализа волновых рядов. – Энергетик, 2019, № 11, c. 14–16.
8. Crossley P.A., McLaren P.G. Distance Protection Based on Travelling Waves. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1983, vol. PAS-102, No. 9, pp. 2971–2983, DOI: 10.1109/TPAS.1983.318102.
9. Куликов А.Л. Дистанционное определение мест повреждений ЛЭП методами активного зондирования. М.: Энергоатомиздат, 2006, 147 с.
10. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения линий электропередачи импульсными методами. М.: Энергия, 1968, 215 с.
11. Ghaderi A., Mohammadpour H.A., Ginn H.L. Active Fault Location in Distribution Network Using Time-Frequency Reflectometry. – IEEE Power and Energy Conference at Illinois (PECI), 2015, vol. 6, DOI:10.1109/PECI.2015.7064884.
12. Минуллин Р.Г., Губаев Д.Ф. Обнаружение гололедных образований на линиях электропередачи локационным зондированием. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010, 208 с.
13. Подшивалин А.Н., Исмуков Г.Н. Наблюдение гололедных образований средствами активного волнового ОМП. – Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России: VII Межд. науч.-практ. конф.: сб. докл., Чебоксары, 2023, с. 272–276.
14. Касимов В.А. Метод локационного мониторинга гололедообразования и повреждений на воздушных линиях электропередачи и программно-аппаратные комплексы для его реализации: дис. … доктора техн. наук. Казань, 2019, 395 с.
15. Костенко М.В., Перельман Л.С., Шкарин Ю.П. Волновые процессы и электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения. М.: Энергия, 1973, 271 с.
16. Куликов А.Л., Петрухин А.А., Свечников А.С. Время-частотные зависимости сложных сигналов и их влияние на определение мест повреждений линий. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2010, № 11-12, с. 101–107.
17. Куликов А.Л. Имитационное моделирование зондирования линий электропередачи линейно частотно-модулированными сигналами. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2007, № 5-6, с. 52–62.
18. Пат. RU42324U1. Устройство для определения места повреждения линий электропередачи и связи / А.Л. Куликов, Д.А. Куликов, 2004.
19. Lin S. et al. Travelling Wave Time-Frequency Characteristic-Based Fault Location Method for Transmission Lines. – IET Generation, Transmission & Distribution, 2012, No. 6(8), pp. 764–772, DOI: 10.1049/iet-gtd.2011.0703.
20. Каппелини В., Константинидис А.Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. М.: Энергоатомиздат, 1983, 360 с.
21. Oppenheim A.V., Willsky A.S., Young I.T. Signals and Systems, Prentice-Hall, 1983, 796 p.
#
1. RD 34.35.517-89. Metodicheskie ukazaniya po opredeleniyu mest povrezhdeniya vozdushnyh liniy napryazheniem 110 kV i vyshe s pomoshch'yu fiksiruyushchih priborov (Methodological Guidelines for Determining the Places of Damage to Overhead Lines with a Voltage of 110 kV and above Using Fixing Devices). M.: Soyuztekhenergo, 1989, 93 p.
2. Kondrat'eva О.Е. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 12, pp. 59–66.
3. Ivanova Е.А. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2015, No. 7, pp. 12–20.
4. SТО 34.01-4.1-001-2016. Ustroystva opredeleniya mesta po-vrezhdeniya vozdushnyh liniy elektroperedachi. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya (Devices for Determining the Location of Damage to Overhead Power Lines. General Technical Requirements). М.: PАО «RОSSЕТI», 2017, 60 p.
5. Lachugin V.F. Releynaya zashchita ob"ektov elektroenerge-ticheskih sistem, osnovannaya na ispol'zovanii volnovyh metodov: avtoreferat dis. ... doktora tekhn. nauk (Relay Protection of Objects of Electric Power Systems Based on the Use of Wave Methods: Abstract … Dr. Sci. (Eng.)). Ivanovo, 2016, 40 p.
6. Kulikov A.L., Loskutov A.A., Pelevin P.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 3, pp. 11–17.
7. Podshivalin A.N., Ismukov G.N., Terent'ev G.V. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2019, No. 11, pp. 14–16.
8. Crossley P.A., McLaren P.G. Distance Protection Based on Travelling Waves. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1983, vol. PAS-102, No. 9, pp. 2971–2983, DOI: 10.1109/TPAS.1983.31810.
9. Kulikov A.L. Distantsionnoe opredelenie mest povrezhdeniy LEP metodami aktivnogo zondirovaniya (Remote Detection of Power Line Damage Sites by Active Sensing Methods). М.: Energoatomizdat, 2006, 147 p.
10. Shalyt G.M. Opredelenie mest povrezhdeniya liniy elektroperedachi impul'snymi metodami (Determination of Places of Damage to Power Transmission Lines by Pulse Methods). M.: Energiya, 1968, 215 p.
11. Ghaderi A., Mohammadpour H.A., Ginn H.L. Active Fault Location in Distribution Network Using Time-Frequency Reflectometry. – IEEE Power and Energy Conference at Illinois (PECI), 2015, vol. 6, DOI:10.1109/PECI.2015.7064884.
12. Minullin R.G., Gubaev D.F. Obnaruzhenie gololednyh obrazovaniy na liniyah elektroperedachi lokatsionnym zondirovaniem (Detection of Ice Formations on Power Transmission Lines by Location Sensing). Kazan': Kazan. gos. energ. un-t, 2010, 208 p.
13. Podshivalin A.N., Ismukov G.N. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya elektroenergeticheskih sistem Rossii: VII Mezhd. nauch.-prakt. konf. – in Russ. (Relay Protection and Automation of Electric Power Systems in Russia: VII International Scientific and Practical Conference), Cheboksary, 2023, pp. 272–276.
14. Kasimov V.А. Metod lokatsionnogo monitoringa gololedoob-razovaniya i povrezhdeniy na vozdushnyh liniyah elektroperedachi i programmno-apparatnye kompleksy dlya ego realizatsii: dis. … doktora tekhn. nauk (The method of Location Monitoring of Ice Formation and Damage on Overhead Power Lines and Software and Hardware Comple-xes for Its Implementation: Dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). Kazan', 2019, 395 p.
15. Kostenko M.V., Perel'man L.S., Shkarin Yu.P. Volnovye protsessy i elektricheskie pomekhi v mnogoprovodnyh liniyah vysokogo napryazheniya (Wave Processes and Electrical Interference in High-Voltage Multi-Conductor Lines). M.: Energiya, 1973, 271 p.
16. Kulikov A.L., Petruhin A.A., Svechnikov A.S. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Energy Sector Problems), 2010, № 11-12, с. 101–107.
17. Kulikov A.L. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Energy Sector Problems), 2007, No. 5-6, pp. 52–62.
18. Pat. RU42324U1. Ustroystvo dlya opredeleniya mesta povrezh-deniya liniy elektroperedachi i svyazi (A Device for Determining the Location of Damage to Power Lines and Communications) / А.L. Kulikov, D.А. Kulikov, 2004.
19. Lin S. et al. Travelling Wave Time-Frequency Characteristic-Based Fault Location Method for Transmission Lines. – IET Generation, Transmission & Distribution, 2012, No. 6(8), pp. 764–772, DOI:10.1049/iet-gtd.2011.0703.
20. Kappelini V., Konstantinidis A.Dzh., Emiliani P. Tsifrovye fil'try i ih primenenie (Digital Filters and Their Application). M.: Energoatomizdat, 1983, 360 p.
21. Oppenheim A.V., Willsky A.S., Young I.T. Signals and Systems, Prentice-Hall, 1983, 796 p.
Published
2024-01-31
Issue
Section
Article
