РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЙ И ГОЛОЛЕДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Предлагаемое устройство относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для непрерывного автоматического контроля (мониторинга) нескольких трехфазных воздушных линий (ВЛ) электропередач с целью выявления мест повреждений, обнаружения наличия, мест и характера гололедных отложений на проводах ВЛ. При этом контролируемая ВЛ может находиться под рабочим напряжением и использоваться для осуществления высокочастотной (ВЧ) связи.
Известно устройство, описанное в пат. РФ №126473, МПК G01R 31/11 «Устройство для дистанционного контроля состояния линии электропередачи». Оно содержит программируемый блок формирования и цифровой обработки сигналов, снабженный пультом оператора, аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователями, и блок сопряжения с линией электропередачи. Программируемый блок выполнен с возможностью формирования широкополосных сигналов на выходе цифроаналогового преобразователя. В устройстве производится вычисление дифференциальных значений волнового сопротивления вдоль линии электропередачи по сформированной рефлектограмме, сравнение этих значений с соответствующими значениями, вычисленными ранее, и определение мест и характера изменений состояния линии электропередачи по результатам сравнения.
В известном устройстве нет технических средств для контроля нескольких трехфазных ВЛ и нет технических средств для обнаружения гололедных отложений.
Известно устройство, описанное в пат. РФ №2 446 407, МПК G01R 31/11 «Способ определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления». Устройство содержит блок индикации, связанный с вычислительным блоком, выходы которого связанны с входами генератора, приемника и переключателя. Также содержит направленный ответвитель, соединенный одним из входов с выходом генератора, а двумя другими входами - с соответствующими выходами переключателя, соединенного с приемником. Генератор излучает в линию гармонические колебания различных частот последовательно во времени с последующим определением по принятым отраженным сигналам коэффициента отражения.
Известное устройство имеет недостаток, заключающийся в невозможности его использования одновременно с высокочастотным каналом связи, реализованном на ВЛ, без ухудшения работы этого канала ВЧ связи. Кроме этого, у аналога нет технических средств для контроля нескольких трехфазных ВЛ и нет технических средств для обнаружения гололедных отложений.
Известно устройство, описанное в пат. РФ №2654958, МПК G01R 31/11 «Устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи». В устройстве есть блок укорочения, содержащий микроконтроллер, к аналоговым входам которого подключены датчики температуры провода, температуры воздуха, диэлектрической проницаемости воздуха и удельной проводимости земли. К выходу микроконтроллера подключен блок цифровой индикации и через цифроаналоговый преобразователь функциональный приемник, выполненный на базе операционного усилителя с неинвертирующим входом. При этом фотосопротивление первого оптрона функционального приемника, соединяющее инвертирующий вход усилителя с землей, через светодиод первого оптрона соединено с формирователем экспоненциальной функции, представляет собой цепь, состоящую из фотосопротивления второго оптрона и конденсатора, на вход которой подается прямоугольный импульс с генератора зондирующих импульсов. Фотосопротивление формирователя экспоненциальной функции через второй оптрон соединено с микроконтроллером через цифроаналоговый преобразователь.
К недостаткам известного устройства следует отнести то, что у него нет технических средств для контроля нескольких трехфазных ВЛ и нет технических средств для обнаружения гололедных отложений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство ЛИДА (Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982, с. 178, рис. 5.10, с. 212, рис. 6.17), (Аржанников Е.А., Чухин A.M. Методы и приборы определения места короткого замыкания на линиях: Учебное пособие / Ивановский государственный энергетический университет Иваново, 1998, стр. 65). Устройство содержит блок входных цепей, содержащий элементы коммутации, формирователь зондирующих импульсов, усилитель отраженных импульсов по закону, обратному закону их затухания в линии, блок ограничения, формирователь тактовых импульсов, временной распределитель импульсов, аналоговый коммутатор, интеграторы (накопители) принимаемых напряжений, блоки сравнения проинтегрированных напряжений с пороговым уровнем, блок индикации. Выход формирователя зондирующих импульсов связан со входом усилителя отраженных импульсов, а также через блок входных цепей связан с контролируемой ВЛ. Выход усилителя отраженных импульсов связан со входом блока ограничения. Выход блока ограничения связан со входом аналогового коммутатора, выходы которого подключены к интеграторам (накопителям) принимаемых напряжений, выходы которых соединены со входами блоков сравнения проинтегрированных напряжений с пороговым уровнем, выходы которых соединены с блоком индикации. Один из выходов временного распределителя импульсов соединен со входом формирователя тактовых импульсов, выход которого соединен со входом временного распределителя импульсов. Выходы временного распределителя импульсов соединены с управляющими входами аналогового коммутатора и со входом формирователя зондирующих импульсов.
Прототип имеет следующие недостатки. Не реализована возможность использования разностных рефлектограмм, получаемая рефлектограмма имеет всего лишь 50 точек, поэтому точность обнаружения мест повреждений невысока и явно недостаточна для эффективного обнаружения незначительных неоднородностей, следовательно, нет возможности обнаруживать гололедные отложения.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение чувствительности и разрешающей способности обнаружения мест повреждений ВЛ и гололедных отложений на них в автоматическом режиме при обеспечении электромагнитной совместимости с аппаратурой ВЧ связи, подключенной к ВЛ.
Поставленная задача достигается устройством, содержащим усилитель, блок входных цепей, формирователь зондирующих импульсов, выход которого связан со входом усилителя, а также через блок входных цепей связан с контролируемой ВЛ. Также устройство содержит блок сигнализации и обмена данными, универсальный блок питания, блок управления, преобразований и вычислений, который содержит блок связи с системой управления, вычислитель, трехканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), порты цифрового ввода-вывода, также устройство содержит блок синхронизации, предварительной обработки сигналов и визуальной сигнализации, который содержит блок визуальной сигнализации, блок синхронизации и блок трехканального управляемого усилителя, также устройство содержит блок формирования зондирующих импульсов и циклического коммутатора, также устройство содержит интерфейс оператора, блок сигнализации и обмена данными имеет несколько входов, несколько выходов, блок связи с системой управления имеет выход и соединен с вычислителем, который соединен с трехканальным АЦП, с интерфейсом оператора, с блоком синхронизации и с портами цифрового ввода-вывода, которые соединены с блоком сигнализации и обмена данными, трехканальный АЦП соединен с блоком синхронизации, с блоком трехканального управляемого усилителя, порты цифрового ввода-вывода соединены с блоком визуальной сигнализации, с блоком синхронизации, с блоком трехканального управляемого усилителя, с формирователем зондирующих импульсов, с блоком входных цепей, который имеет несколько выходов, а также соединен с блоком трехканального управляемого усилителя, блок синхронизации соединен с формирователем зондирующих импульсов и блоком входных цепей, универсальный блок питания имеет вход сети постоянного тока и вход сети переменного тока, выход переменного тока, подключенный к блоку управления, преобразований и вычислений, а также к интерфейсу оператора, выход постоянного тока, подключенный к блоку сигнализации и обмена данными, к блоку синхронизации, предварительной обработки сигналов и визуальной сигнализации и к блоку формирования зондирующих импульсов и циклического коммутатора.
На фиг. приведена структурная схема устройства. Устройство содержит блок 1 сигнализации и обмена данными, универсальный блок питания 2, блок 3 управления, преобразований и вычислений, который содержит блок 4 связи с системой управления, вычислитель 5, трехканальный АЦП 6, порты 7 цифрового ввода-вывода. Также устройство содержит блок 8 синхронизации, предварительной обработки сигналов и визуальной сигнализации, который содержит блок 9 визуальной сигнализации, блок 10 синхронизации и блок 11 трехканального управляемого усилителя. Также устройство содержит блок 12 формирования зондирующих импульсов и циклического коммутатора, который содержит формирователь 13 зондирующих импульсов и блок 14 входных цепей. Также устройство содержит интерфейс 15 оператора.
Блок 1 сигнализации и обмена данными имеет входы «Внешний запуск», выходы «Сигнал сигнализации». Блок 4 связи с системой управления имеет выход «К АСУ» и соединен с вычислителем 5, который соединен с трехканальным АЦП 6, с интерфейсом 15 оператора, с блоком 10 синхронизации и с портами 7 цифрового ввода-вывода. Порты 7 цифрового ввода-вывода соединены с блоком 1 сигнализации и обмена данными. Вход трехканального АЦП 6 соединен с выходом блока 10 синхронизации, с выходом блока 11 трехканального управляемого усилителя. Порты 7 цифрового ввода-вывода соединены с блоком 9 визуальной сигнализации, с блоком 10 синхронизации, с блоком 11 трехканального управляемого усилителя, с формирователем 13 зондирующих импульсов, с блоком 14 входных цепей. Блок 14 входных цепей имеет несколько выходов «к схеме присоединений ВЛ» и несколько выходов «к ВЧ аппаратуре ВЛ», а также соединен с входом блока 11 трехканального управляемого усилителя. Блок 10 синхронизации соединен с формирователем 13 зондирующих импульсов и блоком 14 входных цепей. Универсальный блок питания 2 имеет вход сети постоянного тока и вход сети переменного тока. Выход переменного тока подключен к блоку 3 управления, преобразований и вычислений, а также к интерфейсу 15 оператора. Выход постоянного тока универсального блока питания 2 подключен к блоку 1 сигнализации и обмена данными, к блоку 8 синхронизации, предварительной обработки сигналов и визуальной сигнализации и к блоку 12 формирования зондирующих импульсов и циклического коммутатора.
В предлагаемом устройстве реализовано количество контролируемых ВЛ до пяти. Блок 1 сигнализации и обмена данными имеет входы «Внешний запуск» по числу контролируемых ВЛ. Также он имеет выходы «Сигналы сигнализации», которые подразделяются на «Повреждение», «Гололед», «Плавка» для каждой из пяти контролируемых ВЛ.
Устройство работает следующим образом.
Под управлением сигналов, поступающих от портов 7 цифрового ввода-вывода и от блока 10 синхронизации, формирователь 13 зондирующих импульсов формирует импульсы напряжения. Эти импульсы поступают через блок 14 входных цепей на выход устройства «К схеме присоединений ВЛ». Блок 14 входных цепей работает под управлением сигналов, поступающих от портов 7 цифрового ввода-вывода и от блока 10 синхронизации. Импульсы поступают одновременно на три фазы одной ВЛ, это обеспечивается трехканальной реализацией формирователя 13 зондирующих импульсов, то есть в нем имеются три узла формирования импульса. Блок 14 входных цепей также имеет возможность подключения к трем фазам каждой контролируемой ВЛ.
Выходы блока 14 входных цепей сгруппированы по парам, в каждой паре один выход «К схеме присоединения ВЛ», другой выход «К ВЧ аппаратуре ВЛ». Каждая пара предназначена для одной фазы контролируемой ВЛ, то есть для контроля пяти трехфазных ВЛ используются 15 пар выходов. Учитывая то, что направление распространений сигналов в них меняется в процессе работы, каждый выход может работать как вход. В пассивном состоянии, или при выключенном питании устройства, внутри блока 14 входных цепей осуществляется связь цепей, ведущих к схеме присоединения ВЛ и цепей, ведущих к ВЧ аппаратуре ВЛ, то есть устройство при этом не разрывает штатные каналы ВЧ связи, используемые на подстанции (станции).
При формировании зондирующих импульсов, на выбранной для контроля линии ВЛ, штатные каналы ВЧ связи разрываются на время, необходимое для зондирования линии, а формирователь 13 зондирующих импульсов подключается через блок 14 входных цепей к схеме присоединений ко всем трем фазам. Затем формируются зондирующие импульсы, которые поступают в три фазы ВЛ. Отраженные сигналы из трех фаз ВЛ поступают через блок 14 входных цепей на блок 11 трехканального управляемого усилителя. Совокупность отраженных сигналов принято называть рефлектограммой. При прохождении рефлектограмм через блок 11 трехканального управляемого усилителя они подвергаются усилению или ослаблению под управлением сигналов, поступающих от портов 7 цифрового ввода-вывода и от блока 10 синхронизации. На разных участках рефлектограммы применяется разный коэффициент усиления или ослабления, в результате достигается наилучшее соотношение сигнал/шум и наилучшая чувствительность для каждого участка рефлектограммы.
С выхода блока 11 трехканального управляемого усилителя рефлектограммы поступают на трехканальный АЦП 6, который работает под управлением сигналов, поступающих от вычислителя 5 и от блока 10 синхронизации. На выходе трехканального АЦП 6 образуется ряд цифровых значений напряжения рефлектограмм для каждой контролируемой фазы, полученные в равноотстоящие моменты времени, то есть рефлектограммы в цифровом виде, и они поступают в вычислитель 5. Вычислитель 5 содержит процессор, оперативную память, память на жестком диске, вспомогательные узлы. В нем осуществляются вычисления, выполняются алгоритмы, реализующие анализ рефлектограмм, функции управления устройством, хранение и обработку рефлектограмм, взаимодействие с внешними устройствами, в том числе с АСУ. Алгоритмы работы включают в себя получение образцовых рефлектограмм при исправных ВЛ, их хранение, получение текущих рефлектограмм, получение разностных рефлектограмм. Осуществляется анализ разностных рефлектограмм и выявление по ним наличия повреждений, неоднородностей, в том числе гололедных отложений. Вычисления включают в себя вычисления расстояний до выявленных мест повреждений, неоднородностей и гололедных отложений, а также определение параметров гололедных отложений (плотность, толщина стенки).
В случае обнаружения повреждения, вычислитель 5 выдает сигнал, который через порты 7 цифрового ввода-вывода и через блок 1 сигнализации и обмена данными поступает на один из выходов «Сигналы сигнализации», а именно «Повреждение». Одновременно с этим вычислитель 5 выдает сигнал, который через порты 7 цифрового ввода-вывода поступает на блок 9 визуальной сигнализации, где включается соответствующий световой элемент (светодиод).
Аналогичным образом, при обнаружении гололедного отложения вычислитель 5 формирует соответствующий выходной сигнал «Повреждение» на выходе блока 1 сигнализации и обмена данными и включает соответствующий световой элемент (светодиод) на блоке 9 визуальной сигнализации.
Если выявленное гололедное отложение с его вычисленными параметрами приближается к порогу конструктивной нагрузки контролируемой ВЛ, то вычислитель 5 формирует соответствующий выходной сигнал на выходе блока 1 сигнализации и обмена данными, а именно сигнал «Плавка», и включает соответствующий световой элемент (светодиод) на блоке 9 визуальной сигнализации, предупреждающий обслуживающий персонал о необходимости осуществить плавку гололеда.
Работа вычислителя 5 может осуществляться под управлением внешней системы управления (АСУ), которая может получать информацию от вычислителя 5 и управлять работой всего устройства через блок 4 связи с системой управления по последовательному интерфейсу.
Вычислитель 5 связан с блоком 10 синхронизации, с помощью которого осуществляется формирование цифровых управляющих сигналов, синхронизированных между собой определенными интервалами времени.
Вычислитель 5 соединен с интерфейсом 15 оператора для обеспечения возможности оператору (пользователю) получать информацию от устройства и осуществлять общие управляющие воздействия, например, задавать режимы работы. В состав интерфейса 15 оператора входят дисплей, клавиатура, манипулятор «мышь».
Универсальный блок питания 2 предназначен для формирования питающих напряжений для всех блоков устройства. Универсальность заключается в том, что питание для него может осуществляться как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока. При этом значения напряжения этих сетей могут варьироваться в широких пределах, а универсальный блок питания 2 остается в нормальном рабочем режиме. Это способствует тому, что устройство может работать длительно в автоматическом режиме, то есть даже при пропадании одного из входных напряжений устройство остается в работоспособном состоянии.
На выходах универсального блока питания 2 формируются стабилизированное переменное напряжение АС и стабилизированное постоянное напряжение DC. Стабилизированное переменное напряжение АС предназначено для подачи его на соответствующие входы, которые предназначены для подключения к сети переменного тока 220 В. Интерфейс 15 оператора содержит монитор, которому требуется переменное напряжение 220 В. Блок 3 управления, преобразования и вычисления также питается от переменного напряжения 220 В. Постоянное стабилизированное напряжение DC поступает с выхода универсального блока питания 2 на входы блока 1 сигнализации и обмена данными, блока 8 синхронизации, предварительной обработки сигналов и визуальной сигнализации, блока 12 формирования зондирующих импульсов и циклического коммутатора.
Таким образом, за счет совокупности работы описанных блоков и их связей достигается увеличение чувствительности и разрешающей способности всего тракта приема рефлектограмм до достижения возможности обнаруживать появление повреждений и незначительных неоднородностей волнового сопротивления на ВЛ, в том числе гололедных отложений. Вычисляются расстояния до них и вычисляются параметры гололедных отложений с определением их характера. Обеспечена электромагнитная совместимость устройства с аппаратурой ВЧ связи, использующей ВЛ для передачи информации. Это сделано за счет того, что при формировании зондирующих импульсов штатный канал ВЧ связи разрывается на очень малое время. Устройство позволяет контролировать до пяти трехфазных ВЛ с одновременным синхронным контролем трех фаз для каждой ВЛ. Синхронный контроль трех фаз позволяет повысить производительность контроля, а также расширяет возможности по контролю линии, в частности, упрощает обнаружение межфазных повреждений. Устройство может работать полностью в автоматическом режиме.