Автономный неинвазивный контроллер электрического тока в проводах линий электропередачи с передачей данных беспроводным способом

Область техники
Полезная модель относится к области дистанционного контроля (мониторинга) проводов воздушных линий электропередачи (ВЛ) и может быть использовано для обеспечения непрерывного и дистанционного контроля, получения и передачи данных о состоянии ВЛ на пункт сбора информации (например, диспетчерский пункт).
Уровень техники
В текущий момент контроль электроснабжения осуществляется либо за счет информации от потребителей (звонок, обращение к диспетчеру), либо через установку на подстанциях «трансформатора тока» ТТ, «трансформатора напряжения» ТК которые по проводу передают информацию на диспетчерский пульт или через электронные устройства в компьютерные программы. Установка ТТ или ТК требуют обязательного отключения напряжения, внесение изменения в схему электроустановки, проверки лабораторией на предмет отсутствия короткого замыкания, прокладку провода передачи данных, дополнительные габаритные и весовые ограничения.
Из уровня техники известна интеллектуальная система мониторинга линий электропередач, состоящая из по меньшей мере одного, размещенного на проводе, контроллера и аппаратуры обработки данных, полученных с по меньшей мере одного контроллера. Контроллер, размещенный на проводе воздушной линии электропередачи, состоит из тороидальной разъемной катушки, в которой размещен датчик Холла в зазор тороидального магнитопроводящего материала. Передача данных осуществляется на отдельно стоящий блок, находящийся в радиусе 15 метров по ультракоротким волнам. Впоследствии отдельно расположенный блок посылает данные по средствам сотовой или спутниковой связи. https://www.gegridsolutions.com/multilin/catalog/fmc.htm Также из уровня техники известна интеллектуальная система мониторинга линий электропередач, состоящая из по меньшей мере одного, размещенного на проводе, контроллера и аппаратуры обработки данных, полученных с по меньшей мере одного контроллера. Информацию с провода воздушной линии электропередачи снимают по меньшей мере одним контроллером, состоящим из тороидальной разъемной катушкой и размещенным в зазоре тороидального магнитопроводящего материала датчика Холла. Передача данных осуществляется по средствам GSM связи. https://www.sentient-energy.com/products/mm3-intelligent-sensor
Из уровня техники известно устройство дистанционного контроля состояния (RU 2521778 С1, опубл. 10.07.2014). Известное устройство относится к дистанционному контролю (мониторингу) объектов электроэнергетики и предназначено для получения и передачи на терминал обслуживаемой подстанции или диспетчерский пункт энергосистемы данных, позволяющих оценить состояние контролируемого элемента воздушной линии электропередачи (ВЛ) и дать кратковременный прогноз его изменений. Известное устройство состоит из корпуса, устанавливаемом и на контролируемом элементе ВЛ, в котором размещен источник автономного питания и управляющий блок, к которому подключены измерительный блок и беспроводный приемопередатчик. Блок выполнен с возможностью привязки результатов измерения к меткам точного времени, передачи данных и приема управляющих команд через приемопередатчик, а блок снабжен датчиком тока на основе эффекта Холла и датчиком температуры контролируемого элемента и, по меньшей мере, одним измерителем из группы: инклинометр, трехпозиционный акселерометр с функцией G-сенсора, анемометр, ориентированный поперек ВЛ. Блок снабжен автономным хронометром и/или приемником сигналов точного времени от спутниковой навигационной системы, ультразвуковым или лазерным дальномером, ориентированным в направлении земли, датчиком температуры воздуха. Устройство снабжено автономным видеорегистратором, солнечной батареей для подзарядки источника.
Из уровня техники также известно устройство для дистанционного контроля состояния провода воздушной линии электропередач (RU 2222858 С1, опубл. 27.01.2004). Устройство содержит корпус, снабженный средством крепления на проводе линии электропередачи, и размещенные в корпусе блок питания и измерительно-передающий модуль. Варианты изобретения предусматривают введение в измерительно-передающий модуль средства сопряжения с каналом сотовой телефонии общего пользования и/или приемника сигналов глобальной системы позиционирования с определителем его положения в трехмерной системе координат. Измерительно-передающий модуль может быть выполнен в виде блока управления, блока получения и преобразования сигналов состояния провода, блока предварительной обработки полученной информации, накопления и хранения данных, блока связи и передачи данных. В этом случае средство сопряжения с каналом сотовой телефонии и приемник сигналов глобальной системы позиционирования входят в состав блока связи и передачи данных и блока получения и преобразования сигналов состояния провода соответственно.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является способ и система диагностики и удаленного мониторинга контактной сети железной дороги (RU 2444449, опубл. 10.03.2012). В известном техническом решении осуществляют сбор информации о состоянии элементов контактной сети, передачу собранной информации и осуществляют последующую оценку технического состояния элементов контактной сети. Сбор и передачу информации о состоянии элементов контактной сети осуществляют посредством блоков сбора и передачи информации СДУМ, стационарно размещаемых вдоль контактной сети по всей ее длине, при этом посредством расположенных в блоках датчиков непрерывно регистрируют акустические и вибрационные характеристики, характеристики изменения магнитного поля, температуру элементов контактной сети, измеренные значения передают по каналу радиосвязи в размещаемые на узловых станциях по всей длине контактной сети промежуточные концентраторы информации, которые обеспечивают сбор и анализ информации от датчиков блоков с последующей передачей данных в единый концентратор информации о состоянии элементов контактной сети железной дороги. Система диагностики и удаленного мониторинга контактной сети железной дороги включает размещенные на анкерных опорах контактной сети консоли, несущий трос, струны, контактный провод, грузокомпенсирующие устройства несущего троса и контактного провода и содержит датчики параметров технического состояния элементов контактной сети, причем на участках несущего троса и контактного провода, расположенных непосредственно за роликами блоков грузокомпенсирующих устройств и/или над гирляндами грузов грузокомпенсирующих устройств, которые размещены на анкерных опорах контактной сети, по всей длине контактной сети стационарно закреплены блоки сбора и передачи информации, при этом каждый блок сбора и передачи информации содержит комплект датчиков параметров технического состояния элементов контактной сети, включающий датчики виброакустики и вибродиагностики элементов контактной сети, датчик магнитного поля и датчик температуры, а также автономный источник питания, микропроцессорное устройство для первичной аналого-цифровой обработки информации с датчиков блока, устройство радиосвязи между блоком и размещаемым на узловой станции промежуточным концентратором информации СДУМ, который соединен посредством проводной и/или беспроводной связи с единым концентратором информации о состоянии элементов контактной сети железной дороги.
К недостаткам способа и системы следует отнести наличие источников питания, требующих обслуживания (замены), ограничение по стойкости к внешним воздействующим факторам (отрицательные температуры эксплуатации), сложность блока сбора и передачи информации и его высокая стоимость, высокая трудоемкость применения в условиях железнодорожного транспорта, отсутствие контроля натяжения контактного провода. При этом известное техническое решение не позволяет оперативно оценить усилие натяжения проводов и тросов контактной сети.
Заявленный контроллер по настоящему техническому решению за счет отсутствия провода связи, отсутствия необходимости разрыва проводника, отсутствия контакта с арматурой и оборудованием, имеющим контакт с землей, наличием в своем корпусе электронных устройств, устройств микроэлектроники, малого веса и малых габаритов подвешивается на провод линии электропередачи распределительной сети напряжением от 0,4 до 35 кВ.
Сущность полезной модели
Технической задачей, стоящей перед настоящей полезной моделью, является создание контроллера и системы на его основе, позволяющих надежно и быстро осуществлять контроль состояний проводов воздушных линий электропередачи.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности и повышение быстродействия, а также увеличение продолжительности работы высоковольтного контроллера.
Согласно полезной модели, техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что автономный неинвазивный контроллер электрического тока в проводе линий электропередачи с передачей данных беспроводным способом, содержащий выполненный с механизмом обхвата провода корпус, внутри которого размещен на постоянном от провода расстоянии датчик Холла, соединенный электрически с микропроцессором, при этом микропроцессор соединен с блоком передачи данных и с блоком хранения данных, причем контроллер снабжен элементом питания, выполненным с возможностью обеспечения электропитанием, входящих в контроллер, упомянутых компонентов через систему распределения и управления питанием, выполненную с возможностью подачи, отключения тока элементам прибора, а также с возможностью контроля остаточной емкости элемента питания и его зарядом, а микропроцессор выполнен с возможностью управления работой контроллера, конвертирования аналогового сигнала от датчика Холла в цифровой, упаковки полученных данных в протоколы беспроводной передачи данных и системы хранения информации.
В частном случае реализации заявленного технического решения механизм обхвата провода выполнен в виде подпружиненных лепестков, размещенных на корпусе контроллера, при этом лепестки размещены по краям поверхности корпуса контроллера, ориентированной к проводу линии электропередач, при этом с одного края поверхности корпуса расположен двойной лепесток, а с другого края - одинарный и лепестки ориентированы друг на друга таким образом, чтобы в момент их закрытия они обхватывали провод, при этом одинарный лепесток входил в зазор между лепестками двойного лепестка.
В частном случае реализации заявленного технического решения корпус выполнен из полиамида.
В частном случае реализации заявленного технического решения блок передачи данных выполнен в виде модема.
В частном случае реализации заявленного технического решения блок передачи данных реализован на протоколе «интернет вещей», например, LoRa, NBIoT, XNB.
В частном случае реализации заявленного технического решения элемент питания выполнен в виде емкостного аккумулятора.
В частном случае реализации заявленного технического решения элемент питания выполнен в виде аккумулятора с подзарядкой от электромагнитного поля провода линии электропередачи.
В частном случае реализации заявленного технического решения выполнен с возможностью размещения на проводе воздушной линии электропередачи посредством беспилотного летательного аппарата.
В частном случае реализации заявленного технического решения выполнен с возможностью размещения на проводе воздушной линии электропередачи посредством диэлектрической штанги.
Краткое описание чертежей Детали, признаки, а также преимущества настоящего технического решения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленной полезной модели с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - принципиальная блок-схема автономного неинвазивного контроллера электрического тока в проводах линий электропередачи;
Фиг. 2 - общий вид автономного неинвазивного контроллера электрического тока в проводах линий электропередачи контроллера на проводе воздушной линии электропередачи;
Фиг. 3 - общий вид автономного неинвазивного контроллера и способ доставки на провод линии электропередачи с помощью диэлектрической штанги;
Фиг. 4 - механизм обхвата провода контроллера при доставке на провод линии электропередачи с помощью диэлектрической штанги приспособления типа «капкан».
На фигурах цифрами обозначены следующие конструктивные элементы: 1 - датчик Холла; 2 - блок хранения данных; 3 - микропроцессор; 4 - система распределения и управления питанием; 5 - элемент питания; 6 - контроллер; 7 - провод воздушной линии электропередачи; 8 - диэлектрическая штанга; 9 - гондола; 10 - одинарный лепесток; 11 - двойной лепесток; 12 - зацепы лепестков; 13 - пусковая деталь; 14 - толкатель; 15 - блок передачи данных.
Раскрытие полезной модели Автономный неинвазивный контроллер электрического тока в проводах воздушных линий электропередачи с передачей данных беспроводным способом состоит из микропроцессора (3), соединенного электрической цепью с датчиком Холла (1). Микропроцессор (3) также электрической цепью соединен с блоком (2) хранения данных и с блоком передачи данных (15).
Все элементы контроллера: датчик Холла (1), микропроцессор (3), элемент питания (5), блок (15) передачи данных, система (4) распределения и управления питанием, элемент питания (5), а также блок (2) хранения данных - расположены на интегральной схеме и размещены в корпусе контроллера (6).
Электропитание контроллера (6) и входящих в него блока (15) передачи данных (модема протокола «интернет вещей»), блока (2) хранения данных, микропроцессора (3), датчика (1) Холла, осуществляется от элемента питания через систему распределения и управления питанием (4), выполненную с возможностью подачи, отключения тока элементам прибора (датчику Холла (1), блоку (15) передачи данных и блоку (2) хранения данных) в параметрах необходимых для каждого прибора, а также с возможностью контроля остаточной емкости элемента питания (5) и его зарядом.
Элемент питания в варианте реализации заявленного технического решения может быть выполнен в виде емкостного аккумулятора, или аккумулятора с подзарядкой от электромагнитного поля провода (7) линии электропередачи.
Блок (15) передачи данных реализован на протоколе «интернет вещей», например, LoRa, NBIoT, XNB.
Блок (2) хранения данных выполнен в виде компьютерной памяти или кэш-памяти.
Для закрепления контроллера на проводе линии электропередачи используется корпус-крепеж, который обеспечивает электроволновую прозрачность, постоянное расстояние от проводника до датчика Холла и безопасное крепление без разрыва линии ЛЭП. Корпус выполнен из полиамида.
Контроллер (6) выполнен с возможностью доставки и закрепления его на проводе линии электропередачи с помощью диэлектрической штанги. Для этого контроллер (6) вставлен нижней частью в гондолу (9). Гондола (9) доставки на провод с помощью резьбового соединения закреплена на стандартной диэлектрической штанге (8).
С помощью диэлектрической штанги (8) оператор поднимает гондолу (9) в которой находится контроллер (6) до касания с проводом (7) воздушной линии электропередачи.
Для фиксации контроллера (6) на проводе (7) воздушной линии электропередачи контроллер снабжен механизмом обхвата провода (7). Механизмом обхвата провода выполнен в виде лепестков, размещенных на корпусе контроллера.
Лепестки размещены по краям поверхности корпуса контроллера, ориентированной к проводу (7) линии электропередач. При этом с одного края поверхности корпуса расположен двойной (11) лепесток, а с другого края - одинарный (10). Лепестки (10 и 11) ориентированы друг на друга таким образом, чтобы в момент их закрытия они обхватывали провод (7), при этом одинарный лепесток (10) входил в зазор между лепестками двойного лепестка (11).
Лепестки (10 и 11), выполнены подпружиненными. В качестве пружины для зажима провода используется пружина кручения (1). Плечи пружин фиксируются в отверстии в корпусе ложемента и лепестках. Двойные и одинарные лепестки захватываются двумя зацепами (12). К зацепам (12) с возможностью взаимодействия с ними подведен толкатель (14), который соединен с пусковой деталью (13), размещенной на корпусе контроллера.
Пусковая деталь (13) при давлении от провода линии электропередачи в момент установки контроллера на провод (7) начинает вращаться и тянет за собой толкатель (14). Толкатель толкает зацепы (12), которые в свою очередь высвобождают двойной (11) и одинарный (10) подпружиненные лепестки.
Контроллер по настоящей полезной модели в отличие от известных аналогов не использует в своей конструкции тороидальную катушку за счет применения микропроцессора в самом приборе и компьютерной программы становится возможным изменять частотную характеристику сбора информации для снятия данных с электромагнитного поля проводника тока (провода). Также позволяет отказаться от тороидальной катушки в конструкции контроллера размещение датчика Холла на постоянном расстоянии относительно провода. Реализовано в конструкции прибора и его креплении на провод.
Кроме того, контроллер выполнен с возможностью объединения в систему, при этом на одном проводе устанавливается как минимум два контроллера, а обработка данных с каждого отдельного прибора уже в цифровом виде обрабатываются в компьютерной программе на сервере или в облачных вычислениях, на которые посредством блока передачи данных отправляются данные с каждого контроллера, включенного в систему.
Контроллеры, объединенные в систему, устанавливают на каждый токонесущий провод линии электропередачи в начале и в конце линии и на каждом ответвлении от линии максимально близко к точке ответвления и максимально близко к концу ответвления. Количество контроллеров на одном проводе не лимитируется, чем чаще приборы установлены, тем выше точность определения места повреждения, большая информативность по работе линии, выше надежность системы.
Осуществление вычислений по относительным величинам (проценты), а не абсолютным. То есть, заявленная система позволяет фиксировать изменение, динамику изменения, беря за ноль величину ниже которой прибор не определяет величину.
Устройство работает следующим образом.
Датчик (1) Холла фиксирует электромагнитное поле, возникающее в проводе (7) линии электропередачи. Микропроцессорное устройство, выполненное на базе микропроцессора (3), с помощью компьютерной программы управляет работой датчика (1) Холла, преобразует сигнал в цифровой формат, задавая частоту снятия данных с датчика (1) Холла компьютерная программа получает кривую синусоиды электрического тока текущего в проводе (7) воздушной линии электропередачи.
Важным элементом контроллера является его доставка на провод (7). Для обеспечения безопасности, надежности и стабильности работы линии электропередачи, контроллер с помощью гондолы (9), навинченной на диэлектрической штанге, взведя лепестки, подноситься к проводу (7). При касании провода пусковой деталью (13), происходит захват провода лепестками (10 и 11) контроллера (6), после чего гондола (9) с диэлектрической штангой, оставляя контроллер (6) на проводе (7), возвращается на землю.
Опционально установка контроллера может производиться с помощью беспилотных летательных аппаратов, способных нести нагрузку от 250 грамм. Через зажим контроллер (6) присоединяется к беспилотному летательному аппарату, взводятся захватные лепестки (10 и 11), и при касании пусковой детали (13) лепестки (10 и 11) обжимают провод (7).
Контроллер (6) за счет сбора информации с электромагнитного поля провода линии электропередачи фиксирует данные - наличие/отсутствие электрического тока, сила электрического тока, частота, время отключения тока, время включения тока.
С помощью компьютерной программы, заложенной в микропроцессор (3), используя математические алгоритмы, полученные данные с датчика Холла, анализируя синусоиду, через блок передачи данных (15) протокола «интернет вещей» (например, LoRa, NBIoT, XNB и т.д.) направляет сигнал на шлюз оператора связи.
По косвенным признакам - статистика данных, можно прогнозировать время отключения и время включения. По косвенным признакам частота и амплитуда можно прогнозировать причину нарушения электроснабжения. При сопоставлении данных с проводов одной линии можно прогнозировать варианты причины нарушения энергоснабжения.
При сопоставлении данных с разных точек установленных контроллеров на одной линии можно прогнозировать примерное место повреждения линии. При фиксации в геоинформационных компьютерных программах точки установки контроллера на одной линии электропередачи можно передавать ориентировочное место повреждение, а с помощью компьютерных программ рассчитывать время приезда на точку аварийной бригады и тем самым рассчитывать время восстановления энергоснабжения.
При сопоставлении данных по динамике изменения силы тока и марки провода, по которому течет ток, можно рекомендовать замену провода на большее/меньшее сечение для эффективного управления активами и безаварийного энергоснабжения. При установке контроллеров на всех отходящих линиях от понижающего трансформатора тока на подстанциях и сопоставлении данных протекающего тока можно делать рекомендации по замене трансформатора тока на большую или меньшую мощность трансформатора тока для управления активами по риск ориентированной модели и надежного энергоснабжения.
Косвенным признаком наличие/отсутствие протекание электрического тока по питающему проводу можно вести контроль работы электроприборов - ламп освещения, насосного оборудования, генераторов и т.д. за счет сигнала с контроллера можно с помощью компьютерной программы вести точный учет работы электроприборов, а так же по выставленным критериям (сила тока, время с током или без тока) сигнализировать о наступлении события.