Система управления и мониторинга распределительных устройств и кабельных линий трансформаторных подстанций
SYSTEM FOR CONTROLLING AND MONITORING DISTRIBUTION APPARATUSES AND CABLE LINES OF TRANSFORMER SUBSTATIONS

Изобретение относится к автоматизированным системам измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами, точнее - к системам управления и мониторинга распределительных устройств и кабельных линий трансформаторных подстанций и может использоваться для управления и мониторинга кабельных линий и трансформаторных подстанций.
Мониторинг распределительных устройств и кабельных линий трансформаторных подстанций необходим для обеспечения бесперебойного энергоснабжения различных потребителей. Важными параметрами распределительных устройств и кабельных линий, требующими постоянный контроль, является ток в токоведущих жилах и экранах кабельных линий, а также температура токопроводящей жилы электрических кабелей. В настоящее время известно довольно большое количество устройств аналогичного назначения. В большинстве случаев такие устройства содержат серийно выпускаемые датчики физических величин - токов и температуры, объединенные посредством одного или нескольких контроллеров, или компьютеров. Примерами таких устройств, изобретенных в СССР, являются: А.с. СССР №100962 (Лобанов А.И., Бурштейн Ю.Х., Иоффе В.Н. Устройство для автоматической защиты кабеля от перегрева. А.с. СССР №100962, МПК Н02Н 5/04, Опубл. 25.09.1955), А.с. СССР №119911 (Булыга А.В. Устройство для тепловой защиты машин и аппаратов и для сигнализации о повышении в них температуры. А.с. СССР №119911, МПК Н02Н 5/04, Н02Н 3/04, опубл. в 1959 г.), А.с. СССР №1249349 (Тригорлый СВ., Куликов В.Д. Устройство для измерения превышения температуры сетевых проводников электрического аппарата. А.с. СССР №1249349, МПК Н02Н 5/04, G01R 7/16, G01K 13/00, опубл. 07.08.1986). Однако в указанных авторских свидетельствах датчики являются локальными (не распределенными), что не позволяет их использовать для мониторинга температуры протяженной кабельной линии, а также функциональные возможности таких устройств, выполненных без применения микропроцессоров и современных компьютерных технологий, не соответствуют современным требованиям. Многие из описанных в патентах устройства предназначены для измерения только одной или двух физических величин - температуры и тока, как например, пат. РФ №84636 (Капля Н.Г.. Капля Е.Н. Устройство для контроля температуры контактных соединений шин в устройствах, находящихся под высоким напряжением. Пат. РФ №84636, МПК Н02Н 5/04, Н02В 1/20, опубл. 10.07.2009, Бюл. №19), пат. РФ №14793 (Бучельников Н.В., Чердынцев Е.Ф. Система контроля и управления температурным режимом на подстанциях, пат. РФ №14793, МПК H02G 13/00, Н02Н 5/04. опубл. 27.08.2000, Бюл. №24), пат РФ. №2532417 (Нойманн Т. Контроль температуры шинной распределительной системы. Пат. РФ. №2532417, МПК Н02Н 5/04, опубл. 10.11.2014, Бюл. №31). Устройствами аналогичного назначения, использующим контроллер для обработки данных, получаемых от датчиков, являются: устройство для автоматического ограничения перегрузки кабельновоздушной линии электропередачи (Шмелькин А.Д., Шейнкман А.Г. Устройство для автоматического ограничения перегрузки кабельновоздушной линии электропередачи. Пат. РФ №127537, МПК Н02Н 5/04, H02J 13/00, Н02Н 3/08, опубл. 27.04.2013, Бюл. №12), устройство для дистанционного контроля состояния линии электропередачи (Кудрявцев Д.М. Устройство для дистанционного контроля состояния линии электропередачи. Пат. РФ. №126473. МПК G01R 31/11, опубл. 27.03.2013, Бюл. №9), устройство мониторинга линии электропередачи (Зимин Р.В., Долбня А.В. Устройство мониторинга линии электропередачи. Пат. РФ №189541, МПК Н04В 3/54, СПК Н04В 3/54, G01R 31/08, опубл. 28.05.2019, Бюл. №16), пат. США №7808774 (Тау et al. Coupling point temperature and current measuring system. Pat. US №7808774, МПК H02B I/O, опубл. 05.10.2010). Способ и система, использующая три типа датчиков - датчики тока токопроводящих жил. датчики тока экранов кабелей и локальные датчики температуры, описаны в заявке на изобретение РФ №2013137125 (Лебедев В.Д., Зайцев Е.С., Можжухина В.В. Способ мониторинга пропускной способности силовых кабельных линий и система для его осуществления. Заявка на изобретение РФ №2013137125, МПК Н02Н 7/22, H02J 13/00, G01R 31/00, G01K 11/32, опубл. 20.02.2015, Бюл. №5). Во всех указанных выше устройствах, также, как и в устройствах, описанных в вышеуказанных авторских свидетельствах СССР, использованы локальные датчики температуры, применение которых для кабельных линий большой длины технически сложно и не позволяет полноценно контролировать распределение температуры вдоль кабельной линии, а также в распределительных устройствах трансформаторных подстанций.
Более совершенными системами мониторинга распределительных устройств и кабельных линий трансформаторных подстанций являются системы, использующие распределенные волоконно-оптические датчики температуры для определения распределения температуры электрических кабелей. Теоретические основы работы таких датчиков описаны, например, в монографии Ю.Н. Кульчина (Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети. Владивосток: Дальнаука, 1999. - 283 С). Формулы для расчета температуры по параметрам обратно рассеянного в волоконном световоде излучения приводятся, в частности, в научной статье В.М. Баринова и др. (V.M. Barinov, D.V. Kiesewetter, D.A. Shatilov, A.S. Pyltzov. Fiber optic temperature monitoring system of power cable lines. Proc. 10th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering, March 23-25. 2017, Bucharest. Romania, p.641-644, ISBN: 978-1-5090-5160-1, DOI: 10.1109/ATEE.2017.7905063). Примерами распределенного, волоконно-оптического датчика температуры является устройства, описанные в патентах РФ №2517123 (Калар Кент, Яскелайнен Микко, Окно многоволнового волоконного DTS с PSC волокнами, пат. РФ №2517123, МПК Е21В 47/135, G01K 11/32, опубл. 27.05.2014, Бюл. №15) и пат. РФ №2637398 (Ван Леувен Лауренс Корнелис, Хельсен Йохан Матье Альфонс, Ханс Паулус Корнелиус Хендрикус Адрианус.МРТ с участием распределенного датчика для контроля температуры и/или деформации кабелей катушки и фильтров. Пат. РФ №2637398, МПК G01R 33/36, опубл. 04.12.2017, Бюл. №34).
Однако, во-первых, сами по себе распределенные волоконно-оптические датчики температуры не являются системой мониторинга кабельных линий, а являются частью такой системы. Во-вторых, для расчета температуры токопроводящей жилы кабеля с высокой точностью на основании измеренной волоконно-оптическим датчиком температуры, как будет более подробно показано далее, необходимо учесть величину тока токопроводящей жилы и экрана кабеля, а также тепловое сопротивление грунта (при подземной укладке кабеля) и температуру окружающей среды, т.е. нужна система сбора и обработки данных с соответствующим программным обеспечением. В-третьих, источником оптического излучения в распределенных волоконно-оптических датчиках температуры является мощный импульсный лазер, имеющий высокую стоимость. В указанных выше устройствах один лазер подключен к одному волоконно-оптическому датчику. В этом случае для теплового мониторинга трехфазной кабельной сети требуется, как минимум, три источника излучения, что экономически не целесообразно, так как существуют другие технические решения, описанные ниже. Наиболее эффективным способом использования одного лазера с множеством волоконно-оптических датчиков является использование волоконно-оптического переключателя. В этом случае измерение температуры производится поочередно.
Система с использованием волоконно-оптического переключателя, а также множества датчиков физических величин описана в патенте РФ №2684751 (Шривастава Дхайрия, Браун Стефан С, Мани Виджай. Пат.РФ №2684751. Мониторинг объектов, содержащих переключаемые оптические устройства и контроллеры. МПК G06Q 50/10, G02B 26/00, опубл. 12.04.2019 Бюл. №11). В указанном патенте описана система мониторинга объектов, которая может анализировать информацию от объектов для определения момента появления проблемы с устройством, датчиком или контроллером. В патенте рассмотрено несколько вариантов реализации изобретения. Общий аспект сущности изобретения включает систему для мониторинга множества удаленных объектов, каждый из которых содержит сеть переключаемых оптических устройств, которая содержит: (а) банк данных, выполненный с возможностью хранения данных о функционировании переключаемых оптических устройств на указанных удаленных объектах; (б) один или более интерфейсов для получения данных от множества удаленных объектов; и (в) логический блок для анализа указанных данных от указанных удаленных объектов для определения любых переключаемых оптических устройств или любых контроллеров или датчиков работающих совместно с любыми переключаемыми оптическими устройствами, которые функционируют вне области ожидаемой характеристики. В качестве области применения некоторых вариантов изобретения в патенте указаны: "отопление, вентиляция, кондиционирование", "поддержание системой освещения улучшенного комфорта жильца и/или сохранения энергии". В п. 6. сущности изобретения указано: "В некоторых вариантах реализации изобретения удаленные объекты включают жилые дома, офисные здания, школы, аэропорты, больницы и/или административные здания. В некоторых вариантах реализации изобретения данные о функционировании переключаемых оптических устройств включают временные зависимости напряжения и/или тока для переключаемых оптических устройств. В некоторых вариантах реализации изобретения переменная времени связана с положением солнца или погодой. В некоторых вариантах реализации изобретения данные о функционировании переключаемого оптического устройства содержат изменения пикового тока переключаемых оптических устройств, изменения тока утечки переключаемых оптических устройств, изменения в компенсации напряжения, необходимой для переключаемых оптических устройств и изменения мощности, потребляемой переключаемыми оптическими устройствами". Таким образом, возможность использования системы с оптическими переключателями, описанной в пат.№2684751, в электроэнергетике и в частности для мониторинга кабельных сетей не указана. Устройство и способ, описанные в пат.№2684751. невозможно использовать для измерения распределения температуры электрических кабелей большой длинны, а также параметров трансформаторных подстанций. Следовательно, пат.№2684751 не является прямым аналогом заявляемого изобретения.
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбрана одинаковая по назначению и имеющая в своем составе оптический переключатель полезная модель, описанная в патенте РФ №137374 (К.Р. Карлов, Р.Г. Карлов. Волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры, пат.№137374, МПК G01K 11/32, опубл. 10.02.2014, Бюл. №4). Полезная модель, принятая за прототип, относится к волоконно-оптическим средствам измерения распределения температуры в протяженных объектах, в частности, в системах линий электропередач. Она может быть применена для измерения температурного распределения вдоль токоведущих и контактных элементов электроэнергетических установок, для мониторинга температурного состояния токоведущих шин, контактных устройств, кабелей, фидеров передающих линий и других элементов. Задачей прототипа является расширение функциональных возможностей устройства для измерения распределения температуры и расширение области его применения. Для решения технической задачи прототип имеет нижеописанные особенности конструкции.
1. Волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры, характеризующееся тем, что оно содержит импульсный источник оптического излучения, подсоединенный к нему направленный ответвитель, связанный одним из выходов через оптический переключатель с по меньшей мере двумя протяженными чувствительными оптическими элементами, блок спектрального разделения, оптически связанный своим входом со вторым выходом направленного ответвителя, а выходом с фотоприемными модулями стоксовой и антистоксовой компонент, электрически связанными с блоком обработки и управления, который электрически соединен с оптическим переключателем и с фотоприемным модулем синхронизации, оптически связанным с третьим выходом направленного ответвителя.
2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в качестве чувствительных оптических элементов использовано многомодовое волокно.
3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что начальные участки протяженных чувствительных оптических элементов помещены в калибровочный термостат, электрически связанный с блоком обработки и управления.
4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что блок обработки и управления снабжен блоком связи с системой автоматического управления (АСУ) контролируемого объекта энергоснабжения, предназначенной для запуска процедуры аварийного отключения объекта контроля.
5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что оптический переключатель выполнен с применением микроэлектромеханических систем переключения (МЭМС, MEMS).
6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в качестве оптического направленного ответвителя использован оптоволоконный четырехпортовый циркулятор.
ж
Известно, что расчет температуры токопроводящей жилы электрического кабеля может быть выполнен с использованием тепловой эквивалентной модели, являющейся аналогом закона Ома (См., например. Привезенцев В.А., Гроднев И.И., Холодный С.Д., Рязанов И.Б. Основы кабельной техники. М.: Энергия, 1975. - 472 С). Пренебрегая возможным тепловым влиянием других кабелей, температуру токопроводящей жилы Т можно рассчитать по формуле:
ж
из
э
из
зп
oc
0
э
ж
ж
э
oc
0
ж
из
э
ж
э
ж
ж
где Р, Р, Р - мощность, выделяемая в токопроводящей жиле, изоляции и экране кабеля. S, S, S - тепловое сопротивление изоляции, защитного покрова кабеля и окружающей среды, T - температура окружающей среды. Температура экрана T, внутри которого обычно размещают волоконно-оптический датчик температуры, может быть вычислена аналогично расчету Т, убрав из формулы (1) первое слагаемое. Если мощность, выделяемая в изоляции (диэлектрические потери) и экране пренебрежимо малы по сравнению с мощностью, выделяемой токопроводящей жилой, то температура Т однозначно связана с температурой Т. Следовательно, температуру токопроводящей жилы можно однозначно определить, исходя из измеренной величины температуры экрана, если известны S и Т. Если тепловыделением в изоляции и (или) экране кабеля пренебречь нельзя, то для расчета величины Т необходимо знать величины мощности Р и Р или отношение мощностей Р/Р. Для этого необходимо, чтобы измерительное устройство могло получить данные с датчиков тока токопроводящей жилы и тока экрана. Величина мощности, выделяемой в изоляции, обусловленная диэлектрическими потерями, в частности, зависит от температуры. Наиболее сильно влияние диэлектрических потерь на точность расчета Т имеет место для высоковольтных кабелей и кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией. На точность расчета Т может также оказать влияние изменение теплового сопротивления грунта, окружающего кабель под действием природных факторов и неточность определения температуры среды, окружающей кабель, в частности, из-за возможного влияния теплового потока соседних кабелей. Известно, что указанные факторы в некоторых случаях могут привести к ошибке расчет температуры токопроводящей жилы до 10°С (См. выше. В.М. Баринова и др.). Следовательно, точность расчета температуры токопроводящей жилы на основании температуры экрана, измеренной волоконно-оптическим датчиком в прототипе, может быть улучшена. Одним из способов, позволяющим существенно увеличить точность измерений, является применение дополнительного волоконно-оптического датчика, прикрепленного снаружи к защитной оболочке кабеля. В конструкции прототипа использование дополнительных волоконно-оптических датчиков, закрепленных снаружи кабеля не предусмотрено.
Согласно п. 1 формулы полезной модели прототипа оптической переключатель связан с «по меньшей мере двумя протяженными чувствительными оптическими элементами». Это означает, что в прототипе количество протяженных чувствительных оптических элементов - волоконно-оптических датчиков, может быть 3, 4 или 5. В этом случае прототип невозможно будет использовать для измерения распределения температуры токопроводящей жилы кабелей трехфазной кабельной сети с повышенной точностью - с учетом возможного тепловыделения в экранах и изоляции кабелей. Прототип не имеет системы ввода данных с датчиков тока токопроводящей жилы и экрана кабелей, соответственно, не имеется возможности учета этих параметров при расчете температуры токопроводящей жилы кабеля. Поэтому точность расчета температуры токопроводящей жилы в некоторых случаях может оказаться недостаточной, особенно в случае заземления экрана кабеля с двух сторон. Таким образом, конструкция прототипа, позволяющая достичь высокой точности измерений температуры непосредственно самого волоконно-оптического датчика за счет размещения начального отрезка оптического волокна в термостате, не позволяет получить данные, необходимые для расчета температуры токопроводящей жилы кабеля с повышенной точностью.
Технической задачей заявляемого изобретения является увеличение точности измерений распределения температуры токопроводящих жил кабеля, расширение функциональных возможностей устройства и повышение его надежности.
Решение технической задачи достигается за счет того, что
система снабжена волоконно-оптическим кроссом и оптическим переключателем, имеющим количество выходных оптических портов равное шести, к выходным портам оптического переключателя подключен оптический кросс, соединенный с протяженными волоконно-оптическими датчиками температуры, расположенными как внутри кабеля между изоляцией и защитным покровом, так и прикрепленными к наружной оболочке электрического кабеля, по два волоконно-оптических датчика на кабель одной фазы кабельной линии,
система снабжена сервером автоматизированной системы управления технологическими процессами, сервером мониторинга кабельных линий, сетевым коммутатором, блоком ввода-вывода дискретной информации, входные порты которого электрически соединены с датчикам тока токопроводящей жилы и экранов кабельной линии, один порт обмена данными блока ввода-вывода дискретной информации соединен с сервером автоматизированной системы управления, второй порт обмена данными блока ввода-вывода дискретной информации соединен с сетевым коммутатором, к входным портам сетевого коммутатора подключены датчики контроля параметров устройств трансформаторной подстанции, а к порту обмена данными - сервер мониторинга кабельной линии,
сервер автоматизированной системы управления технологическими процессами электрически связан с сервером мониторинга кабельных линий, который подключен к блоку обработки и управления измерением температуры, а также соединен непосредственно с блоком обработки и управления измерением температуры;
Технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличении точности измерений распределения температуры токопроводящих жил кабеля, расширении функциональных возможностей устройства и повышении его надежности.
Сущность заявляемого изобретения поясняется тремя фигурами.
На фигуре 1 представлена структурная схема заявляемого изобретения, где 1 - блок измерения распределения температуры в состав которого входят элементы прототипа: импульсный источник оптического излучения, направленный ответвитель, блок спектрального разделения, фотоприемные модули стоксовой и антистоксовой компонент, модуль синхронизации, блок обработки и управления, 2 - оптический переключатель. 3 - волоконно-оптические порты (розетки), 4 - волоконно-оптический кросс, 5 - соединительные световоды (патч-корды), 6 - сервер мониторинга кабельных линий (МКЛ), 7, 9, 10 - электрический кабель, 8 - сервер автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), 11 - модуль дискретного ввода-вывода, 12 - датчики тока, 13 - электрический кабель, соединяющий модуль дискретного ввода-вывода с сервером автоматизированной системы управления технологическими процессами, 14 - сетевой коммутатор, 15 - электрические кабели, соединяющие датчики с модулем дискретного ввода-вывода и сетевым коммутатором, 16 - датчики контроля параметров распределительных устройств (частичных разрядов, пирометрические датчики температуры), 17 - электрический кабель, соединяющий сервер мониторинга кабельных линий с сетевым коммутатором, 18 - электрический кабель, соединяющий модуль дискретного ввода-вывода и сетевой коммутатор, 19, 22, 25 - кабели трехфазной кабельной линии, 20, 23, 26 - волоконно-оптические датчики температуры, прикрепленные к наружной поверхности кабеля, 21, 24, 27 - волоконно-оптические датчики температуры, размещенные внутри кабеля;
на фигуре 2 - структурная схема подключения двух трехфазных кабельных линий для измерения температуры токопроводящих жил с использованием одного внутреннего волоконно-оптического датчика в каждом кабеле, где 4 - волоконно-оптический кросс, 28, 31 - кабель фазы А, 29, 32 - кабель фазы В, 30, 33 - кабель фазы С,
на фигуре 3 - экранная копия главного окна рабочей программы сервера мониторинга кабельных линий с примером полученного распределения температуры.
Заявляемое изобретение состоит из блока измерения распределения температуры 1 в состав которого входят элементы прототипа: импульсный источник оптического излучения, направленный ответвитель, блок спектрального разделения, фотоприемные модули стоксовой и антистоксовой компонент, модуль синхронизации, блок обработки и управления, оптического переключателя 2, оптических портов (розеток) 3 в количестве 6 штук, оптического кросса 4 с шестью портами входа и выхода, соединительных волоконных световодов (патч-кордов) 5, сервера мониторинга кабельных линий 6, электрического кабеля 7, соединяющего сервер мониторинга кабельных линий и блок измерения распределения температуры, сервера автоматизированной системы управления технологическими процессами 8, электрического кабеля 9, соединяющего сервер автоматизированной системы управления технологическими процессами с сервером мониторинга кабельных линий, электрического кабеля 10, соединяющего сервер автоматизированной системы управления технологическими процессами с блоком измерения распределения температуры, модуля дискретного ввода-вывода 11, датчиков тока 12, электрического кабеля 13, соединяющего модуль дискретного ввода-вывода с сервером автоматизированной системы управления технологическими процессами, сетевого коммутатора 14, электрических кабелей 15, соединяющих датчики 12 с модулем дискретного ввода-вывода и датчики 16 с сетевым коммутатором 14, датчиков контроля параметров распределительных устройств (частичных разрядов, пирометрические датчики температуры) 16, электрического кабеля 17, соединяющего сервер мониторинга кабельных линий с сетевым коммутатором, электрического кабеля 18, соединяющего модуль дискретного ввода-вывода и сетевой коммутатор, кабелей трехфазной кабельной линии 19, 22, 25, волоконно-оптических датчиков температуры 20, 23, 26, прикрепленных к наружной поверхности кабеля, волоконно-оптических датчиков температуры 21, 24, 27, размещенных внутри кабеля. Оптический кросс 4 соединен с волоконно-оптическими датчиками температуры 20, 21, 23, 24, 26, 27, электрических кабелей 19, 22, 25 трехфазной кабельной сети. Волоконно-оптические датчики температуры 20, 23, 26 прикреплены к наружной поверхности электрических кабелей, волоконно-оптические датчики температуры 21, 24. 27 - расположены внутри электрического кабеля между экраном кабеля и защитным покровом кабеля.
При использовании только волоконно-оптических датчиков температуры, расположенных внутри кабеля, каждый оптический порт оптического кросса 4 соединен с волоконно-оптическими датчиками температуры 28-33 кабелей двух трехфазных кабельных линий.
s
Принцип действия заявляемого изобретения следующий. Излучение импульсного лазера, входящего в состав блока измерения распределения температуры 1, передается на оптический переключатель 2, который поочередно передает лазерные импульсы на оптические порты 3, являющихся оптическим выходом блока измерения распределения температуры. Через соединительные световоды (патч-корды) 5 и оптический кросс 4, лазерный импульс передается в различные волоконно-оптические датчики измерения распределения температуры кабельной линии. В простейшем случае конфигурирование соединения оптических выходов 3 и оптических входов кросса 4 задается вручную, подключением или отключением соединительных световодов (патч-кордов) к оптическим розеткам. При распространении оптического излучения, вследствие нелинейных эффектов, возникает стоксовское смещение частоты излучения (стоксовкие S и антистокосвские A спектальные составляющие). Обратно рассеянное на микродефектах оптического волокна импульсное излучение, возвращается в блок измерения распределения температуры 1, пройдя оптический кросс 4, соединительные световоды (патч-корды) 5 и оптический переключатель 3. На основании измерения отношения интенсивностей стоксовской и антистоксовской составляющих производится расчет распределения температуры вдоль волоконно-оптического датчика с использованием известной формулы, которая, в частности, приводится в монографии Ю.Н. Кульчина (См. выше), патенте РФ №2517123 (См. выше), научной статье В.М. Баринова и др. (См. выше). Полученные данные сохраняются в блоке измерения распределения температуры и позволяют определить распределение температуры в выбранном оптическим переключателем волоконно-оптическом датчике.
Последовательно подключая все используемые волоконно-оптические датчики посредством оптического переключателя 2, в блоке измерения температуры накапливаются данные о распределении температуры в волоконно-оптических датчиках. Полученные данные, после первичной обработки в блоке 1, поступают в сервер мониторинга кабельных линий 6 через кабель 7. Сервер 6 производит обмен данными с сервером автоматизированной системы управления технологическими процессами через кабель 9. В сервер 6, через кабель 17 и сетевой коммутатор 14, поступают данные с датчиков тока экранов кабелей, датчиков частичных разрядов, а также, при необходимости, сигналы с других датчиков физических величин состояния распределительных устройств (на фиг.1 - группа датчиков 16). Кабели 7, 9, 10, 13, а также 17 и 18 являются кабелями типа UTP - четыре витые пары в экране, однако, все или часть указанных кабелей, могут быть волоконно-оптическими.
Данные о величине тока в каждой из фаз кабельной линии, а также, при необходимости, данные с других датчиков физических величин поступают в блок дискретного ввода-вывода 11. Данные из блока дискретного ввода-вывода через кабель 13 поступают в сервер автоматизированной системы управления технологическими процессами, откуда, через кабель 9 передаются в сервер мониторинга кабельных линий или (и) в блок измерения распределения температуры 1 через кабель 10. Данные с Датчиков 16 могут быть переданы через кабель 17 в сервер 6. Взаимодействие датчиков и серверов определяется используемым программным обеспечением.
Заявляемое изобретение обеспечивает возможность расчета температуры токопроводящих жил кабелей с повышенной по сравнению с аналогами точностью, для реализации которого используются данные измерения температуры как волоконно-оптических датчиков, прикрепленных к поверхности электрических кабелей, так и волоконно-оптических датчиков, расположенных внутри кабеля. Схема подключения волоконно-оптических датчиков температуры в указанном режиме для оптического переключателя и оптического кросса с шестью портами приведена на фиг. 1. Заявляемое изобретение может использоваться для мониторинга кабельных линий, имеющих только волоконно-оптические датчики температуры, расположенные внутри кабелей. В этом случае расчет распределения температуры производится с использованием стандартных алгоритмов со стандартной точностью. Однако в этом случае возможно производить температурный мониторинг большего количества электрических кабелей или распределительных устройств трансформаторных подстанций.
Минимальное количество выходов волоконно-оптического переключателя, соответственно и выходных оптических портов устройства, для достижения поставленной технической задачи - 6. Максимальное количество выходов определяется техническими требованиями к конкретному устройству в зависимости от условий эксплуатации. Количество выходов может быть и более шести, но при увеличении количества выходов волоконно-оптического переключателя увеличивается его цена, а также полный цикл опроса всех подключенных каналов будет проходить дольше.
В заявляемом изобретении возможна различная реализация структуры взаимодействия составляющих элементов. Типовая структура взаимодействия следующая. Блок измерения распределения температуры производит измерение распределения температуры в волоконно-оптических датчиках, преобразование в цифровой вид регистрируемых сигналов и их обработку, сохраняет во внутренней памяти информацию о распределении температуры в аварийных ситуациях на кабельной линии (в момент обнаружения аварийных перегревов электрического кабеля или обрывов оптоволокна), передает информацию на сервер мониторинга кабельных линий по протоколу ModbusTCP. Функции сервера мониторинга кабельных линий следующие: осуществляет сбор данных с датчиков системы, производит обработку полученной информации в соответствие с заложенными правилами и алгоритмами, основываясь на заложенных параметрах кабельной линии (геометрических размерах элементов кабеля, физических свойствах материалов, из которых изготовлен кабель, свойств грунта, в котором осуществлена прокладка кабельной линии), а также с учетом значения токов фаз в каждом кабеле и температуры в экранах, производит расчет температуры токопроводящей жилы внутри каждого кабеля согласно методике МЭК 60853, обеспечивает постоянный контроль граничных значений температур экрана или жилы вдоль всей длины кабеля по двум уставкам - ухудшенной (65…75°С) и предаварийной (80…90°С), формирует и выдает предупреждающие сообщения в случае превышения граничных значений температур кабеля с фиксацией места и времени нарушения - возможно как непосредственное срабатывание сигнализации, так и срабатывание только после повторного подтверждения наличия превышения температуры в данном месте кабеля для исключения ложных срабатываний системы, в случае обрыва оптоволокна определяет место обрыва оптоволокна, формирует и выдает сообщение о дистанции до места обрыва, осуществляет постоянное прогнозирование состояния кабельной линии в соответствии с методикой МЭК 60287 на сутки вперед с учетом имеющихся исторических графиков токовой нагрузки на данную кабельную линию и с учетом текущего теплового состояния кабельной линии, производит самодиагностику собственного оборудования системы с выдачей соответствующих сообщений и сохранением информации статуса в журнале событий, формирует файлы отчетов о работе системы и состоянии кабельных линий за определенный интервал времени, обеспечивает сетевое взаимодействие с системой АСУ ТП ПС по стандартным телекоммуникационным протоколам МЭК 60870-5-104, МЭК 61850, а также выполняет ряд других функций. Функции сервера автоматизированной системы управления технологическими процессами в типовой структуре заявляемого изобретения следующие: получение данных с датчиков (в частности, пирометрических, датчиков тока в токопроводящих жилах и экранах кабеля), сетевое взаимодействие с сервером мониторинга кабельных линий, получение данных о состоянии системы по протоколу МЭК 60870-5-104, МЭК 61850 и передача информации об электрических параметрах кабельной линии - текущих значениях токов фаз, а также других данных в сервер мониторинга кабельных линий, визуализация полученных данных о состоянии кабельной линии для дежурного персонала.
Расширенная структура взаимодействия составляющих элементов заявляемого изобретения следующая. Блок измерения распределения температуры, помимо функций, указанных выше для типовой структуры, получает функционал для расчета температуры токопроводящей жилы кабеля и новый протокол МЭК 60870-5-104 или МЭК 61850 для взаимодействия с сервером автоматизированной системы управления технологическими процессами. В протокол взаимодействия с сервером мониторинга кабельных линий Добавлены параметры электрического кабеля - геометрические размеры кабеля, физические свойства материалов из которых выполнен кабель, свойства грунта в котором осуществлена прокладка кабельной линии, значения токов фаз в каждом кабеле, добавлена реализация стандартного для систем АСУ ТП ПС протокола, для взаимодействия непосредственно с АСУ ТП ПС, минуя сервер системы мониторинга кабельных линий в случае необходимости. В расширенной структуре взаимодействия из функций сервера МКЛ исключена функция расчета температуры токопроводящей жилы, а в протокол взаимодействия с блоком измерения распределения температуры добавлены параметры, необходимые для расчета температуры токопроводящей жилы; дополнительной функцией сервера АСУ ТП ПС для этой структуры взаимодействия является реализация взаимодействия с блоком измерения распределения температуры напрямую, минуя сервер МКЛ по стандартному протоколу МЭК 60870-5-104 или МЭК 61850.
Наличие связи между сервером автоматизированной системы управления технологическими процессами 8 и блоком измерения распределения температуры через кабель 10 (фиг. 1), минуя сервер мониторинга кабельных линий 6, позволяет сохранить работоспособность блока измерения распределения температуры даже в случае выхода из строя сервера мониторинга кабельных линий или электрического кабеля, соединяющего сервер автоматизированной системы управления технологическими процессами с сервером мониторинга кабельных линий. Наличие связи между модулем дискретного ввода-вывода 11 и сетевым коммутатором 14 через электрический кабель 18, позволяет сохранить работоспособность блока измерения распределения температуры 1 и сервера мониторинга кабельных линий 6 в случае прекращения работоспособности сервера автоматизированной системы управления технологическими процессами 8 или обрыва электрического кабеля 18 посредством передачи данных от датчиков 12 через кабель 18, сетевой коммутатор 14 и электрический кабель 18 в сервера мониторинга кабельных линий 6. Структура заявляемой системы такова, что позволяет осуществить связь сервера автоматизированной системы управления технологическими процессами со всеми элементами системы через другие элементы системы, что обеспечивает возможность самотестирования всех элементов системы. Таким образом, заявляемая система обладает повышенной надежностью по сравнению с прототипом и рассмотренными выше аналогами.
Использование двух волоконно-оптических датчиков для каждого электрического кабеля трехфазной кабельной линии также повышает надежность работы заявляемой системы, так как в случае обрыва одного из волоконно-оптических датчиков электрического кабеля, система продолжит функционирование с меньшей точностью измерения температуры токопроводящей жилы.
Заявляемое изобретение было опробовано на макете программно-технического комплекса интеллектуальных систем управления и мониторинга распределительных устройств и кабельных линий трансформаторных подстанций высокого напряжения. В состав макета входили: блок измерения распределения температуры кабельной линии в виде промышленно выпускаемого устройства (DTS ASTRO Е5ХХ или DTS Интетерм-Т Е5ХХ), оптические кроссы 1U-RU24-SC/MM-24-24-1 и кросс 1U-RU8-SC/SM-8-8-1, сетевой коммутатор МОХА EDS-308-SS-SC и МОХА EDS-316-MM-SC, KVM консоль ATEN CL5708M с ЖК-дисплеем, инвертор напряжения ИНК1500-1, блок питания ОВЕН БП60Б-Д4-24С, модуль ввода-вывода ADAM-6066, устройство ЭНИП-2-45 для измерения параметров сетей переменного тока с датчиками тока ТРП-88 и двух серверов, работающих под управлением операционной системы Windows Server 2012 R2. С использованием специально разработанного программного обеспечения были реализовано указанное выше взаимодействие составных частей заявляемого изобретения. На изготовленном макете продемонстрирована возможность достижения пространственного разрешения до 0,5 м, точности измерений температуры - до 0,5°С за 60 секунд и до 0,2°С за 600 секунд.
Экранная копия главного окна рабочей программы сервера мониторинга кабельных линий, визуализирующая результаты расчета температуры и показания датчиков тока кабельной линии приведена на фиг. 3. Созданный макет программно-технического комплекса, помимо датчиков тока, был соединен с датчиками частичных разрядов и пирометрическими датчиками измерения температуры соединительных шин.
Указанная конструкция заявляемого изобретения, объединяющая данные, поступающие с датчиков, позволяет приобрести ей свойства, которых не имеет каждое из устройств (распределенные волоконно-оптические датчики температуры, датчики тока токопроводящих жил и экранов кабельной линии, а также серверы) по отдельности. Таким образом, заявляемое изобретение, приобретает принципиально новые полезные свойства, которые дают возможность достичь требуемого технического результата. Увеличение точности измерений распределения температуры достигается за счет создания структуры заявляемого изобретения, позволяющей одновременно получать данные как от датчиков тока в токопроводящих жилах и экранах кабелей, так и от двух волоконно-оптических Датчиков температуры, расположенных внутри и снаружи кабеля одной фазы, а также использования специально разработанного программного обеспечения. Расширение функциональной возможности заявляемого изобретения достигается за счет наличия соединительных световодов (патч-кордов), позволяющих изменять конфигурацию подключения блока измерений распределения температуры к волоконно-оптическим датчикам кабельной линии, обеспечивающих возможность использования заявляемого изобретения как в стандартном режиме измерения распределения температуры, так и в режиме повышенной точности измерений. Повышение надежности заявляемой системы обеспечивается частичной взаимозаменяемостью функций блока измерений распределения температуры, сервера мониторинга кабельных линий и сервера автоматизированной системы управления технологическими процессами, наличием связей между составными частями системы, позволяющей передавать данные от датчиков и сервера, используя различные соединительные кабели, а также структурой системы, обеспечивающей возможность самотестирования элементов системы.
Заявляемое изобретение позволяет создавать на ее основе современное электротехническое оборудование, соответствующее всем существующим стандартам, что будет способствовать эффективному использованию заявляемого изобретения в электроэнергетике.