СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING POINT OF FAULT IN POWER TRANSMISSION OR COMMUNICATION LINE AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к радиолокационным технологиям контроля повреждений линий электропередачи и может быть использовано, в том числе, при создании устройств для дистанционного определения места повреждения высоковольтных линий (ВЛ), преимущественно трехфазных, характеризующихся большим количеством неоднородностей.
Известен способ определения мест повреждений линий электропередачи и связи и устройство, предназначенное для реализации этого способа (Патент RU 2269789, кл. G01R 31/11, публ. 2006 г.) /1/. Известный способ заключается в посылке в линию зондирующих импульсов от генератора при согласовании выходного сопротивления последнего с волновым сопротивлением линии с требуемой точностью согласования, приема отраженных импульсов, определении места повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего, при этом зондирующие импульсы напряжения подвергают время-частотной модуляции, а отраженные импульсы - соответствующей демодуляции, фильтрации и спектральному анализу, причем информацию о временной задержке отраженных импульсов относительно зондирующих и местах повреждений определяют по значениям получаемых амплитудно-частотных спектров.
Недостатком данного способа является то, что он обеспечивает точность измерения расстояния до места повреждения для однородных линий, согласованных с генератором и на конце, и с постоянной скоростью распространения сигналов по линии. Большинство воздушных ЛЭП при наличии значительного количества отводов, периодическому налипанию снега на провода и их обледенению на различных участках не удовлетворяют условиям однородности и согласованности на конце для зондирующих сигналов. Неоднородности приводят к появлению в спектре демодулированного сигнала, который состоит из большого количества отраженных и переотраженных от неоднородностей импульсов, множества спектральных составляющих, что не позволяет выделить спектральную составляющую от повреждения и определить расстояние до него. Также для расчета расстояния по времени задержки необходимо точно знать фазовую скорость распространения сигналов по линии на момент измерения.
З
Ф
l=τV,
З
Ф
где расстояние l рассчитывается в метрах, время задержки τ - в секундах, а скорость V - в м/с.
Ф
При изменении погодных условий изменяется фазовая скорость на неизвестную величину ΔV, тогда
З
Ф
Ф
З
Ф
З
Ф
l=τ(V±ΔV)=τV±τV,
Ф
т.е. погрешность определения расстояния из-за неопределенности V
З
Ф
l=±τΔV
З
увеличивается с увеличением τ; то есть чем больше расстояние до места повреждения, тем больше абсолютная погрешность измерения.
Задачей изобретения является повышение точности измерения расстояния до места повреждения в любых линиях электропередачи, как однородных, так и неоднородных, при произвольно изменяющейся фазовой скорости на различных участках линии.
Указанная задача решается способом определения места повреждения линии электропередачи и связи, заключающемся в посылке в линию зондирующих импульсов напряжения с время-частотной модуляцией от генератора, приеме отраженных импульсов, определении места повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего, при этом отраженные импульсы подвергают демодуляции, фильтрации, преобразованию в цифровую форму, причем преобразованные отраженные импульсы от естественных неоднородностей исправной линии сохраняют в памяти, подвергают автокорреляционной обработке, спектральному анализу, определяют частоты, соответствующие импульсам, отраженным от естественных неоднородностей, расстояние до которых известно с высокой точностью, и сохраняют величины частоты и расстояний в памяти в виде реперных точек, а преобразованные отраженные импульсы от естественных неоднородностей и неоднородности, возникшей при повреждении линии, вычитают из хранящихся в памяти, разностный сигнал подвергают автокорреляционной обработке и спектральному анализу, причем информацию о расстоянии получают по максимальному значению амплитудно-частотного спектра автокорреляционной функции разностного сигнала и реперным точкам.
Поскольку ошибка определения дальности при определении места повреждения связана непосредственно с ошибкой измерения времени запаздывания (частоты) и фазовой скорости распространения сигнала, то можно характеризовать повышение точности измерения дальности уменьшением ошибок измерения (частоты) времени запаздывания и уменьшением влияния скорости распространения.
1
K
На фиг.1, а слева от начала координат автокорреляционной функции изображена зондируемая линия, к которой на расстоянии L от начала длиной L подключен один отвод. Справа - совмещенный спектр автокорреляционной функции поврежденной и неповрежденной линий: спектральные составляющие отраженного сигнала в линии без повреждений - сплошные линии; составляющие, появляющиеся в результате повреждения, - пунктирные линии. Наклонными прямыми, у которых тангенс угла положительный, показан путь прохождения сигнала от генератора, у которых отрицательный - к генератору. Для ЛЧМ сигналов частота связана линейной зависимостью с временем. Поэтому каждому моменту прихода отраженного сигнала соответствует своя частота:
1
1
1
F - частота, соответствующая отражению от точки подключения отвода L и определяемая задержкой сигнала при прохождении пути 2L;
1K
1
K
K
F - частота, соответствующая отражению от конца отвода LK и определяемая задержкой сигнала при прохождении пути 2(L+L), где L - расстояние от точки подключения отвода к питающей линии до его конца;
1K
1
K
(F+ΔF) - частота, соответствующая первому переотражению в отводе и определяемая задержкой сигнала при прохождении пути 2(L+2L);
1K
1
K
(F+2ΔF) - частота, соответствующая двойному переотражению в отводе и определяемая задержкой сигнала при прохождении пути 2(L+2L);
ЛK
ЛK
K
F - частота, соответствующая отражению от конца отвода F питающей линии и определяемая задержкой сигнала при прохождении пути 2L.
X
X
X
При появлении повреждения на дальности L (обрыв или короткое замыкание в двухпроводной линии) в спектре демодулированного отраженного сигнала появляются новые спектральные составляющие, показанные пунктиром, причем все составляющие от неоднородностей, расположенных ближе от места повреждения L, остаются неизменными, а составляющие от неоднородностей, расположенных в месте повреждения и дальше него, изменяются. Поэтому при вычитании отраженных сигналов, полученных до повреждения и после него, в спектре разностного сигнала появляется четкая граница, соответствующая частоте F, ниже которой составляющих нет (фиг.1, б).
X
X
Ошибка в определении частоты F по спектру демодулированного отраженного сигнала, соответствующей повреждению в линии с неоднородностями, в значительной степени зависит от переотраженных сигналов. Так, например, если частота F совпадает с частотой, вызванной переотраженным от неоднородностей сигналом, обнаружить ее и определить величину в спектре сложного полигармонического сигнала практически невозможно, а если и возможно, то с ошибкой, вызванной наложением спектров от демодулированных отраженных от неоднородностей и повреждения сигналов (фиг.1, а).
X
При вычитании сигналов, отраженных при повреждении линии, из сигналов, отраженных при исправной линии и хранящихся в памяти, все частоты в спектре автокорреляционной функции разностного сигнала F<F исчезают, и проявляется ярко выраженная спектральная составляющая от повреждения, так как все отраженные импульсы на входе приемника, время задержки которых меньше времени задержки отраженного импульса от повреждения, вычитаются (фиг.1, б).
Известное устройство /1/ для реализации известного способа содержит соединенные между собой генератор зондирующих импульсов, вычислительный блок, приемник и блок индикации. При этом генератор зондирующих импульсов имеет блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь и усилитель мощности, а приемник содержит смеситель, фильтр нижних частот, аналогово-цифровой преобразователь.
Недостатком известного устройства является влияние выходного сопротивления усилителя мощности на погрешность измерения расстояния до места повреждения и на максимальную дальность, на которой обеспечивается требуемая точность, что накладывает жесткие ограничения на характеристики усилителя и блока управления сопротивлением.
Рассмотрим условие согласования генератора с линией для отраженных импульсов. Известно, что коэффициент отражения Р определяется формулой (1) (А.А.Харкевич. «Основы радиотехники». - М.: Связьиздат., 1962) /2/
i
ВЫХ
C
где Z=Z+R - выходное сопротивлении источника (генератора), зондирующего линию,
ВЫХ
Z - выходное сопротивление усилителя мощности,
C
R - согласующий резистор блока управляемого сопротивления,
W - волновое сопротивление зондируемой линии.
i
i
C
C
ПВ
ВЫХ
Из формулы (1) следует, что для хорошего согласования генератора с линией должно выполнятся условие Z≈W≈Z+R. Чтобы отраженный от повреждения линии сигнал не попадал на оба входа приемника, выходное сопротивление усилителя мощности должно быть равно нулю (в противном случае полезный сигнал на выходе смесителя уменьшится и ухудшится соотношение сигнал/помеха). Тогда при R=W напряжение падающей волны U в два раза меньше напряжения на выходе усилителя мощности Z или усилитель должен развивать в два раза большую мощность, так как половина мощности теряется в согласующем резисторе. Кроме того, переотражение импульсов при условии согласования генератора с линией всегда проявляется в неоднородных линиях. Любая реальная линия имеет случайные неоднородности, обусловленные технологией изготовления и монтажа (особенно это относится к воздушным ВЛ, имеющим на своем протяжении многочисленные отводы).
На каждой неоднородности будут происходить отражения, которые, отразившись, в свою очередь, от предшествующих неоднородностей, образуют затухающий "хвост", следующий за основным возмущением. Этот специфический вид искажений носит название попутного потока, который может сильно вредить на сколько-нибудь длинных ЛЭП (А.А.Харкевич. «Основы радиотехники», М.: Связьиздат., 1962) /2/.
Указанные недостатки в заявленном устройстве отсутствуют, т.к. не требуется полного согласования усилителя мощности с линией. Благодаря введению в устройство направленного ответвителя устраняется влияние выходного сопротивления усилителя мощности на отраженный сигнал, приходящий с ЛЭП. Так как опорный сигнал снимается с выхода ЦАП, а не с выхода усилителя мощности, как в прототипе, обеспечивается высокая развязка между входами приемника. Введение в устройство коммутатора позволяет оперативно производить измерение расстояний до места повреждения на любых ВЛ, и при соответствующем ПО вычислитель определяет все виды повреждений, например замыкание любого провода на землю, обрыв любого провода, межпроводные замыкания, пробой изолятора, степень обледенения проводов и др.
Таким образом, новый технический результат, который может быть достигнут при реализации заявленного изобретения, заключается в достижении высокой степени точности и однозначности определения места повреждения высоковольтных трехфазных разветвленных линий, характеризующихся большим количеством неоднородностей, и в автоматизации процесса измерений.
Заявленный способ иллюстрируется примером его реализации в работе нового устройства, которое содержит генератор зондирующих импульсов 1, состоящий из блока памяти 2, цифрового преобразователя (ЦАП) 3 и усилителя мощности 4, направленный ответвитель 5, коммутатор 6, приемник 7, вычислительный блок 8 (например, микроЭВМ), блок передачи информации 9 (фиг.2).
Первый выход генератора 1, которым является выход усилителя мощности 4, соединен с входом направленного ответвителя (НО) 5, вход/выход НО 5 соединен с входом/выходом коммутатора 6, выход НО соединен с первым входом приемника 7, второй выход генератора, являющийся выходом ЦАП, соединен со вторым входом приемника 7, вход коммутатора 6 связан с вторым выходом вычислительного блока 8, n выходов коммутатора связаны с n проводами ВЛ, вычислительный блок 8 входом связан с выходом приемника 7, первым выходом - с входом генератора, который является входом блока памяти, а третьим выходом - с входом блока передачи информации 9.
Приемник 7 (фиг.3) содержит смеситель 10, фильтр нижних частот (ФНЧ) 11 и аналогово-цифровой преобразователь 12. Первый и второй входы смесителя 10 являются соответственно первым и вторым входом приемника, а выход преобразователя 12 - выходом приемника 7.
Коммутатор 6 (фиг.4) содержит в общем случае трансформатор, входная обмотка которого является входом/выходом, соединенным с входом/выходом НО 5, а выходная обмотка содержит К выводов, соединенных с входами/выходами блока ключей 14, соответствующие вых/вх блока ключей соединены с соответствующими проводами ВЛ. Управляющие входы ключей соединены с соответствующими выходами блока управления ключами 15, вход которого связан с выходом 2 вычислительного блока 8.
Вычислительный блок (фиг.5) в общем случае может представлять собой микроЭВМ, содержащую шину адресов данных, управления 16, модуль процессора 17, устройство управления клавиатурой 18, модуль памяти 19.
Рассмотрим работу устройства для определения места повреждения фазных проводов 3-фазной высоковольтной линии с N отводами к потребителям при зондировании ВЛ ЛЧМ импульсами с прямоугольной огибающей.
Вначале производят калибровку устройства. Для этого на первом цикле работы в модуль памяти вычислительного блока 8 записывают шесть массивов отраженных сигналов, полученных с неповрежденной ВЛ, так называемых электронных образов (паспортов), при шести видах подключения устройства к фазам, соответствующие подключения соответствуют при 3 фазах А, В, С возбуждению волны в ВЛ:
- фаза А - земля,
- фаза В - земля,
- фаза С - земля,
- фаза А - фаза В,
- фаза В - фаза С,
- фаза А - фаза С.
Расстояние до места подключения к ВЛ отводов и потребителей, от которых отражается сигнал как от естественных неоднородностей в канале распространения, является известным, то есть заданным.
A-1
B-1
C-1
A-B
B-C
A-C
i
i
Поэтому на втором цикле после соответствующей цифровой обработки (фильтрации, корреляционной и др.) и спектрального анализа шести паспортов U, U, U, U, U, U составляют таблицу реперных точек (фиг.6), в которой каждой известной неоднородности L приводится соответствующая ей частота F.
На третьем цикле со всех подключений отраженные демодулированные сигналы вычитаются в вычислительном блоке 8 из соответствующих паспортов. При отсутствии повреждений фазных проводов ВЛ шесть разностных сигналов равны нулю, при этом все паспорта обновляются. Появление любого повреждения (например, короткое замыкания любой фазы на землю, обрыв любого провода, короткого замыкания 2 фаз и др.) приводит на различных видах возбуждения к появлению разностных сигналов. Разностные цифровые сигналы в модуле процессора 17 подвергаются обработке, корреляционному и спектральному анализу. При этом используется программное обеспечение, хранящееся в модуле памяти 19. В результате вычислительных процедур в модуле 17 получают для шести подключений шесть амплитудно-частотных спектров автокорреляционных функций разностного сигнала (фиг.7, 8).
X
По максимальному значению амплитудно-частотного спектра автокорреляционной функции разностного сигнала определяется частота F, соответствующая координате повреждения, по которой с учетом данных таблицы 1 (см. фиг.6) рассчитывается расстояние до места повреждения по формуле (2)
X
где F- частота в Гц, соответствующая координате повреждения, определяемая по максимальному значению амплитудно-частотного спектра автокорреляционной функции разностного сигнала,
n
n-1
X
F, F - частоты в Гц реперных точек, ближайшие к F,
n
n-1
L, L - расстояние до реперных точек в метрах,
- коэффициент, учитывающий изменение фазовой скорости при изменении начальных условий от момента записи реперных точек до момента возникновения повреждения,
- частота в Гц, полученная при анализе спектра автокорреляционной функции электронного образа линии на момент возникновения повреждения.
В результате анализа спектрограммы разностного сигнала в вычислительном блоке принимается решение о наличии или отсутствии повреждений в ЛЭП. Если повреждение обнаружено, то определяется тип повреждения и рассчитывается по формуле (2) расстояние до него. На фиг.9, 10, 11 приведены примеры спектров автокорреляционных функций разностного сигнала, полученные с реальной ВЛ, при этом на фиг.9 - при обрыве трех фаз на дальности 17,67 км, подключение Фаза-Фаза; на фиг.10 - при обрыве трех фаз на дальности 17,67 км, подключение Фаза-Земля, на фиг.11 - при отсутствии повреждений; фиг.12 - спектр автокорреляционной функции паспортного сигнала.
Данные спектров позволяют определить типы повреждения фаз посредством модуля 17 в результате сравнительного анализа спектров автокорреляционных функций разностного сигнала на шести типах подключений.
Например, при повреждении фазы А на всех видах подключения, кроме подключения фаза В-фаза С, разностный сигнал не равен нулю, а на подключении фаза В-фаза С он равен нулю, так как при подключении фаза В-фаза С по проводникам В и С протекают противофазные токи и поэтому электромагнитная связь с проводом А отсутствует, а значит, и отсутствует влияние провода А на сигнал, распространяющийся по проводам В и С. Поэтому повреждения провода не изменяют отраженные сигналы для противофазного возбуждения проводов В и С.
При повреждении высоковольтной линии в виде короткого замыкания фаза В-фаза С разностный сигнал будет отсутствовать при зондировании на подключении фаза А-Земля, так как электромагнитная волна, распространяющаяся по проводу А, наводит синфазные токи (напряжение) на проводах В и С. Поэтому при коротком замыкании соединяются эквипотенциальные точки проводов В и С, что не изменяет условий распространения синфазного сигнала, и поэтому не обнаруживается повреждение (разностный сигнал) на подключении фаза А-Земля.
Можно показать, что любые типы повреждения могут быть классифицированы при анализе отраженных сигналов, полученных при шести видах подключения устройства к проводам трехфазной линии электропередачи. В случае, если в вычислителе в соответствии с программой обнаруживается повреждение, то автоматически определяется расстояние до него, определяется тип повреждения, и информация передается на пульт диспетчера через блок передачи данных.
Кроме того, появление любого повреждения линии, в том числе обрыв любого провода, приводит появлению разностных сигналов, что автоматически, без участия оператора, фиксируется во времени. Знание времени повреждения может быть использовано соответствующими службами, отвечающими за безопасность линий, включая их хищение.
В частном случае применения заявленное изобретение может быть применимо для обслуживания неоднородных двухфазных линий электропередач.