УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Предлагаемая полезная модель относится к технике электрической связи, а именно к системам для передачи информации, и к системам для передачи высокочастотных сигналов по электрическим сетям промышленной частоты, и может быть использовано для мониторинга одно и трехфазных воздушных и кабельных линий электропередачи (ЛЭП) напряжением до 35 кВ включительно.
Известно устройство мониторинга линии электропередач («Устройство для определения места повреждения линий электропередачи и связи» патент на полезную модель №59262 U1, МПК G01R 31/11), содержащее вычислительный блок и связанные с ним генератор зондирующих импульсов, приемник и блок индикации.
Однако, это устройство применимо только на прямых линиях электропередач и совершенно непригодно на линиях с разветвленной топологией, что существенно ограничивает область применения устройства.
Кроме того, известно устройство мониторинга линии в сетях с разветвленной топологией («Устройство определения места повреждений линий электропередачи с древовидной структурой» патент на изобретение №RU 2511640 G01R 31/08), включающий определение расстояния до места повреждения с помощью метода импульсного зондирования и снятие неоднозначности результатов зондирования разветвленных сетей путем определения коэффициента битовых ошибок в информационных пакетах PLC-модулей.
Однако данное устройства решает лишь задачу определения места повреждения линии электропередач и только в сетях с древовидной структурой, за счет использования метода импульсной рефлектометрии в сочетании с PLC-модулями в каждом узле сети. Устройство не распространяется на линии электропередачи с кольцевой структурой, что опять же ограничивает область применения предлагаемого устройства.
Существенным недостатком данного устройства является то, что даже при наличии PLC-модулей, использующихся для снятия неоднозначности результатов зондирования разветвленных сетей, в устройстве отсутствует функционал обмена технологической информацией между устройствами в узлах сети.
Кроме того, известна система мониторинга и диагностики электролиний с древовидной топологией на базе «интеллектуального электромодема», являющаяся прототипом предлагаемой полезной модели (Ползуновский вестник, №3/1, 2011, А.Н. Закиров, С.А. Калабанов, А.В. Карпов, Р.И. Шагиев), включающая приемопередающий модуль, модуль локации, устройство присоединения с электрической линией и головной модуль, который осуществляет координацию основных модулей и взаимодействие электромодема с компьютером и прочей периферией. Система строится с помощью электромодемов двух типов. Электромодем первого типа имеет в своем составе оба модуля и устанавливается в начале линии на подстанции. На концах линии устанавливаются модемы второго типа, имеющие в своем составе только приемопередающий модуль. Электромодем, установленный на подстанции, является центральным устройством в сети. Он выполняет диагностику электролинии методом локационного зондирования (блок локации), в также мониторинг линии посредством обмена данными с удаленными модемами, используя специальный стек протоколов физического и канального уровней. Подключение электромодемов к линии осуществляется по схеме «фаза - земля» через фильтр присоединения и конденсатор связи. Наличие в электромодеме отдельного блока мониторинга позволяет избавиться от недостатков метода локационного зондирования, связанных с древовидной топологией распределительных электролиний (невозможность определения, в каком именно ответвлении произошло повреждение).
Однако указанное устройство предназначено для распределительных сетей с древовидной топологией, что приводит к невозможности использования данной системы в сетях с кольцевыми связями, что является недостатком, так как ограничивает область применения предлагаемого устройства.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является расширение области применения и функционала устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом устройстве мониторинга линий электропередач, которое состоит из устройства присоединения, подключенного к фазе, приемопередающего модуля, включающего PLC-модуль, а также аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователь, цифровые фильтры, встроенный усилитель с автоматической регулировкой коэффициента усиления, модулятор-демодулятор аналогового сигнала, при этом приемопередающий модуль соединен с устройством присоединения и головным модулем, который в свою очередь подключен к интерфейсному модулю, причем в устройство дополнительно введен вычислительный модуль, подключенный к головному модулю.
На фиг. 1 приведена Структурная схема устройства мониторинга ЛЭП; на фиг. 2 - Топология сети; на фиг. 3 - Пример амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) источника и ответвления сети без повреждения сети; на фиг. 4 - Пример АЧХ ответвления сети в случае повреждения в сети.
Структурная схема системы мониторинга линии электропередачи (фиг. 1) состоит из устройства мониторинга ЛЭП, обозначенного на фигуре 1 пунктиром (7), включающее в себя устройство присоединения (1), приемопередающий модуль (2), головной модуль (3), вычислительный модуль (4), интерфейсный модуль (5), а также устройства сбора и передачи данных (6), двух идентичных дополнительных модулей, обозначенных на фигуре 1 пунктирами (8, 9), состоящих из устройства присоединения (1) и приемопередающего модуля (2).
Устройство присоединения (1) содержит последовательно соединенные высоковольтный конденсатор и фильтр присоединения, параллельно которому подключен ограничитель напряжения. Данный модуль согласует высокочастотный выход PLC-модуля с каналом связи, одновременно выполняя функцию защиты модуля от высокого напряжения линии.
Приемопередающий модуль (2) выполняет функции преобразования цифрового сигнала в аналоговый и наоборот. Данный модуль анализирует сигнал, полученный от аналогичного модуля на другой стороне линии, после чего посылает ответный сигнал, тем самым организовывая канал связи между устройствами. Приемопередающий модуль состоит из PLC-модуля, а также аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователя, цифровых фильтров, встроенного усилителя с автоматической регулировкой коэффициента усиления, модулятора-демодулятора аналогового сигнала.
Головной модуль (3) является связующим звеном между всеми модулями устройства. Обеспечивает взаимодействие модулей устройства, а также выполняет функции управления питанием, мониторингом неисправностей при работе устройства. Головной модуль состоит из процессора, модуля сбора информации, модуля связи, коммуникационного модуля и сервера точного времени.
Вычислительный модуль (4) выполняет функцию анализа полученных данных для определения места повреждения линии электропередач. В основе функционирования данного модуля лежит алгоритм, позволяющий на основе анализа амплитудно-частотных характеристик линии на каждой из трех фаз, определить с точностью до десятков метров расположение и характер повреждения. Вычислительный модуль может быть выполнен из ядра процессора, статической RAM-памяти, флеш-памяти, графического процессора, сетевого модуля, отладочных и периферийных интерфейсов.
Интерфейсный модуль (5) представляет собой плату расширения, подключаемую к головному модулю. В зависимости от типа оконечных устройств, выбирается плата с требуемыми интерфейсами (Ethernet, RS-485, RS-232, USB) на борту. В случае необходимости может выступать в роли коммутатора, позволяя соединять несколько узлов компьютерной сети.
Устройства сбора и передачи данных (6) могут быть выполнены в виде компьютера, измерительного устройства, терминала защит и прочих устройств. Не являются частью предлагаемого устройства, а лишь служат источником или приемником данных.
Топология сети (фиг. 2) содержит устройства мониторинга ЛЭП (10-17), и иллюстрирует возможную структуру линий электропередач и мест подключения предлагаемых устройств к ней.
Основными функциями предлагаемого устройства является мониторинг состояния сетей (разрывы передающих линий, межфазные замыкания и замыкания на землю), передача данных для систем учета потребления энергии, мониторинга качества и других параметров электроэнергии на всех этапах передачи от распределительных подстанций до конечного потребителя, осуществление задач передачи телеметрических данных о состоянии оборудования электрических сетей и удаленного управления оборудованием, предоставление каналов связи для организации служебных и коммерческих сетей передачи данных.
-4
Устройство работает следующим образом. Передающее устройство (10, Фиг. 2) посылает в одну фазу линии низковольтный, высокочастоный (ВЧ) модулированный сигнал в мегагерцовом диапазоне, который формируется на передающем модуле (2, Фиг. 1) и через устройство присоединения (1, Фиг. 1) передается по всей линии электропередачи. Периодичность отправки сигнала Δt равна 2*10 с.
На каждом участке сети установлено приемное устройство (11-17) (Фиг. 2), подключенное к трем фазам с помощью устройств присоединения (1) (Фиг. 1). Сигнал принимается приемопередающим модулем (2) (Фиг. 1), на основании которого строится амплитудно-частотная характеристика сигнала на устройстве приемнике и через головной модуль (3) (Фиг. 1), полученные данные передаются в вычислительный модуль (4) (Фиг. 1) для дальнейшей обработки специально разработанным программным алгоритмом. Суть алгоритма которого заключается в следующем:
В процессе распространения сигнала вдоль линии электропередач, амплитуда сигнала затухает, а форма искажается. Приемное устройство (11-17), с заданной периодичностью (предположительно 1 раз в период 0,02 с), фиксирует полученный сигнал и, с помощью программного обеспечения, производит разложение совокупности гармонических сигналов в ряд Фурье, строит АЧХ на каждом участке сети, выделяет несущую частоту, и проводит анализ данных. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) сигнала зависит от режима работы устройства (10) (Фиг. 2), и представляет собой сумму гармонических составляющих разных частот.
Изменение портрета АЧХ, на каком-либо участке разветвленной сети обусловлено невозможностью прямой передачи сигнала по одной из фаз линии, что свидетельствует о наличии повреждения вдоль линии. Высокочастотный диапазон передачи сигнала, используемый в предлагаемом способе, усиливает, по сравнению с килогерцовым диапазоном частот, явление электромагнитной индукции, что приводит к появлению ВЧ сигнала на соседних фазах с аналогичным по форме портретом АЧХ и одинаковой несущей частотой. Следовательно, повреждение одной или двух фаз линии электропередач не мешает приемным устройствам получать и анализировать сигнал.
Анализ данных состоит в том, чтобы оценить насколько изменился портрет АЧХ, и сместилась несущая частота в каждой фазе относительно предыдущего замера и относительно соседних фаз. Возможны следующие вариации:
1. Портрет АЧХ не изменился. Несущая частота на всех участках одинакова.
В нормальном режиме работы и режиме холостого хода линии во всех приемных устройствах (10-17) (фиг. 2) сигнал будет иметь одинаковую несущую частоту по трем фазам fmaxN (фиг. 3.) и будет отличаться лишь амплитудой, обусловленной затуханием сигнала.
2. На одном из участков сети несущая частота сместилась в область «нулевых» частот (фиг. 4).
Изменение несущей частоты АЧХ одного из участков сети (по отношению к передающему устройству) свидетельствует о наличии какого-либо повреждения на линии электропередачи.
3. На одной из трех фаз несущая частота сместилась в область «нулевых» частот.
В случае однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), приемным устройством, регистрируется сигнал о разности несущих частот по фазам. На одной фазе максимальная амплитуда сигнала приходится на частоту равную 0 Гц, на двух других несущие частоты увеличиваются по отношению к нормальному режиму и режиму холостого хода. Аналогичны АЧХ и распределения частот при однофазной поперечной несимметрии.
4. На нескольких фазах несущая частота сместилась в область «нулевых» частот.
При таких видах несимметрии, как двухфазное замыкание, двухфазное замыкание на землю, двухфазная поперечная несимметрия, на поврежденных фазах амплитуда приемного ВЧ сигнала соответствует частоте - 0 Гц, на оставшейся в работе фазе, несущая частота увеличивается (Фиг. 4).
5. В нескольких приемных устройствах зафиксировано снижение несущей частоты.
При появлении повреждения на участке, удаленном на некоторое расстояние от приемных устройств, оба этих устройства получат измененный портрет АЧХ. Ближайшее приемное устройство зафиксирует снижение несущей частоты на поврежденной фазе по сравнению с нормальным режимом. Удаленное от места повреждения устройство, получит равные значения несущей частоты на всех трех фазах, за счет явления взаимоиндукции, которое усиливается в мегагерцевом диапазоне частот.
Таким образом, локация места повреждения с помощью построения АЧХ линии электропередачи и выделения несущих частот может безошибочно определяться.
Техническим результатом устройства мониторинга линий электропередач является расширение области применения за счет возможности использования устройств в кольцевых сетях как одно, так и трехфазных воздушных и кабельных линий электропередач, как низкого, так и высокого напряжения (от 0,2 до 35 кВ включительно).
Таким образом, предлагаемое устройство, в отличии устройства прототипа, за счет реализации алгоритма анализа АЧХ, выполненного в виде вычислительного модуля, определение места повреждения возможно даже при кольцевых линиях электропередачи.
Кроме того, использование передающего модуля на базе высокоскоростного PLC-модуля, позволяет организовать высокоскоростной канал связи, обеспечивающий сбор и передачу технологической информации с подстанций или других технологических объектов, в непосредственной близости к которым находится заявляемое устройство мониторинга. В связи с тем, что появляется возможность использования канала связи для предоставления доступа в интернет, осуществления видеонаблюдения объектов, IP телефонии, заявляемое устройство выполняет не только функции определения места повреждений, но и позволяет организовать автоматизацию удаленных от головного центра технологических объектов. Также очевидным преимуществом является то, что предлагаемое устройство предполагает одновременный мониторинг всех трех фаз кабельной или воздушной линии электропередач. Для трехфазных линий, дополнительно используется лишь приемопередающие модули, подключенные к линии посредствам устройствами присоединения в головном узле распределительной сети. Данное решение позволит не прерывать информационный обмен, даже в случае порыва двух фаз из трех, тем самым обеспечивая бесперебойную работу системы.