СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD FOR DETERMINING OF DAMAGED POINT OF POWER TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для определения расстояний до неоднородностей и мест повреждения линий электропередачи.
Известен способ (Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982, стр. 206), который заключается в создании зондирующих импульсов между двумя жилами кабеля, при этом импульсы, отраженные от симметричных неоднородностей, взаимно компенсируют друг друга. Отражения от несимметричного повреждения фиксируются на индикаторе прибора.
Данный способ применим только в тех случаях, если имеются в наличии минимум две жилы кабеля, причем одна из них не должна быть повреждена. То есть способ имеет ограниченную область применения.
Известен также способ (а.с. СССР 1348756, МКИ GO1R 31/11. Способ определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления), который заключается в следующем.
При работе устройства, реализующего данный способ, зондируют линию импульсами напряжения, принимают отраженные импульсы, запоминают два мгновенных значения напряжений калибровочного сигнала (КС), период которого соответствует диапазону определяемых расстояний. При этом осуществляют запоминание первого мгновенного значения КС при временной задержке, соответствующей началу диапазона определяемых расстояний, а второго - при временной задержке, соответствующей концу диапазона измеряемых расстояний, затем их сравнивают их между собой, изменяют масштаб временной задержки так, чтобы мгновенные значения напряжений КС при временных задержках, соответствующих началу или концу диапазона определяемых расстояний, стали равны друг другу, запоминают мгновенные значения напряжения импульсов с линии и определяют расстояние до повреждения по времени запаздывания отраженных импульсов относительно зондирующих.
В этом способе не учитывается нестабильность параметров испытуемой линии электропередачи. В случае испытаний линий большой протяженности нестабильность параметров испытуемой линии существенно увеличивает погрешность определения места повреждения.
X
X
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ (пат. РФ 2400765, МПК G01R 31/11). Способ заключается в посылке в линию зондирующих импульсов напряжения с времячастотной модуляцией от генератора и приеме отраженных импульсов. При этом фиксируют массив демодулированных отраженных сигналов, полученных с неповрежденной линии, в виде электронного образа линии. Для обнаружения повреждения отраженные демодулированные импульсы от естественных неоднородностей и неоднородностей, возникших при повреждении линии, вычитают из демодулированных импульсов, записанных в электронном образе линии. Вывод о повреждении линии делают при наличии разностных сигналов. Затем подвергают разностный сигнал автокорреляционной обработке и спектральному анализу. Определяют частоту F, соответствующую координате повреждения, и расстояние до места повреждения по частоте F и реперным точкам.
В данном способе учитывается нестабильность параметров испытуемой линии электропередачи, но только при определенных условиях. А именно, если имеются две реперные точки, между которыми находится обнаруживаемая неоднородность, и при этом эти точки находятся близко друг от друга. Нестабильность параметров испытуемой линии электропередачи не учитывается между реперными точками. Поэтому если реперные точки находятся далеко друг от друга, то нестабильность параметров испытуемой линии электропередачи будет приводить к увеличению погрешности.
Таким образом, описанный в прототипе способ может давать большую погрешность определения места повреждения при испытаниях длинных линий, например, 100-150 км.
Задача предлагаемого технического решения заключается в уменьшении погрешности в случае испытаний длинных линий.
Для этого в предлагаемом способе в испытуемую линию посылают зондирующие импульсы напряжения, принимают отраженные сигналы, запоминают образцовую рефлектограмму, полученную с неповрежденной линии. Снимают текущую рефлектограмму, содержащую отраженные сигналы от естественных неоднородностей и неоднородностей, возникших при повреждении линии. Затем вычитают ее из образцовой рефлектограммы. Вывод о повреждении линии делают при наличии разностных сигналов. После получения текущей рефлектограммы и записи ее в массив, производят масштабирование по времени этого массива. Для осуществления масштабирования для каждых двух значений напряжения, соответствующих смежным моментам времени, производят сплайн-интерполяцию, в результате чего получается интерполяционная непрерывная функция. Затем вводят коэффициент масштабирования по времени, при этом изменение коэффициента масштабирования по времени осуществляется по одному из известных алгоритмов оптимизации. Для различных значений коэффициента масштабирования по времени многократно получают новые масштабированные массивы, которые сравниваются с образцовой рефлектограммой до достижения минимальной разницы между ними.
На фиг. 1 приведена схема устройства, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ.
0
1
2
N-1
На фиг. 2 приведен график, поясняющий кусочно-линейную интерполяцию, где U1 - значение напряжения отраженного сигнала, t, t, t…t - моменты времени, в которые измерены значения напряжения отраженного сигнала, i - номер момента времени.
Устройство по фиг. 1 содержит формирователь зондирующих импульсов 1 (ФЗИ), усилитель импульсов 2, фильтр присоединения 3 (ФП), конденсатор связи 4 (КС), входное устройство 5, аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП), микро-ЭВМ 7, блок синхронизации 8. Выход формирователя зондирующих импульсов 1 соединен с входом усилителя импульсов 2, выход которого соединен с входом фильтра присоединения 3, который соединен с «землей» и с конденсатором связи 4, связанный с испытуемой линией 9. Выход фильтра присоединения 3 связан с входным устройством 5, который соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6. Выход аналого-цифрового преобразователя 6 подключен ко входу микро-ЭВМ 7, выход которой соединен с входом блока синхронизации 8. Выходы блока синхронизации 8 соединены с формирователем зондирующих импульсов 1, с входным устройством 5 и с аналого-цифровым преобразователем 6.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Формирователь зондирующих импульсов 1 периодически формирует зондирующие импульсы, которые усиливаются усилителем импульсов 2, затем поступают через фильтр присоединения 3 и через конденсатор связи 4 в испытуемую линию 9. Отраженные сигналы через конденсатор связи 4 и фильтр присоединения 3 поступают на вход входного устройства 5, в котором происходит нормирование сигнала, то есть усиление или ослабление сигнала, а также согласование с испытуемой линией 9. Нормированный сигнал с входного устройства 5 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Аналого-цифровой преобразователь 6 преобразует входной аналоговый сигнал в цифровые двоичные коды, поступающие в микро-ЭВМ 7. Шаг дискретизации Δt аналого-цифрового преобразования определяется требуемой разрешающей способностью по обнаружению места повреждения испытуемой линии. Полученные данные, называемые рефлектограммой, запоминаются в памяти микро-ЭВМ 7. В блоке синхронизации формируются управляющие импульсы, имеющие точные временные параметры, необходимые для работы всего устройства. На вход блока синхронизации 8 от микро-ЭВМ 7 поступает сигнал старта. На выходах блока синхронизации 8 формируются управляющие и синхронизирующие импульсы, поступающие на формирователь зондирующих импульсов 1, на входное устройство 5 и на аналого-цифровой преобразователь 6.
0
1
2
N-1
Процесс определения места повреждения заключается в следующем. Первоначально с неповрежденной испытуемой линии 9 снимается образцовая рефлектограмма, соответствующая естественным неоднородностям. В результате получается массив данных U0[i] (i=0, 1, 2…N-1), соответствующих моментам времени t, t, t…t, где N - общее количество полученных значений. Этот массив запоминается в памяти микро-ЭВМ 4.
В процессе испытания линии, когда предполагается наличие повреждений, снимается текущая рефлектограмма. В результате получается массив данных U1[i] (i=0, 1, 2…N-1). Этот массив запоминается в памяти микро-ЭВМ 7.
Нестабильность параметров испытуемой линии 9 влияет на время возврата отраженных импульсов (сигналов). В результате масштаб по времени массива U1[i] будет отличаться от масштаба по времени массива U0[i]. Это делает затруднительным обнаружение вновь возникших повреждений и неоднородностей методом сравнения образцовой и текущей рефлектограмм, особенно при испытаниях длинных линий. Для того чтобы сделать эти масштабы одинаковыми, в предлагаемом изобретении вводится коэффициент масштабирования по времени К, пропорционально которому массив U1[i] будет "сжиматься" или "растягиваться" во времени. Учитывая, что массивы U0[i] и U1[i] дискретные, затруднительно использовать произвольный коэффициент масштабирования по времени К. Для реализации этой процедуры предлагается использовать сплайн-интерполяцию для массива U1[i]. Наиболее целесообразно использовать сплайн-интерполяцию 1-го порядка, то есть кусочно-линейную интерполяцию. Пример кусочно-линейной интерполяции приведен на фиг. 2.
i
i+1
i
i+1
Пусть получены N значений, которые записаны в массив U1[i] (i=0, 1, 2…N-1). Для каждых двух смежных значений напряжения U1, U1, соответствующих моментам времени t, t, производят сплайн-интерполяцию, в результате чего получается интерполяционная непрерывная функция U1(t) вида:
i
i
i+1
i+1
Значения а и b для каждого участка вычисляются по координатам двух точек (U1,t), (U1, t) по формулам:
a
i+1
i+1
i
i+1
i
=(U1-U1)/(t-t);
i+1
i
i+1
i
a
b=U1-⋅t.
Для того чтобы масштабировать по времени данную функцию, вводим новую переменную t’, причем:
t’=K⋅t,
где К - коэффициент масштабирования по времени.
Подставляя в (1) переменную t’, получим:
0
1
2
N-1
0
1
2
N-1
Используя ряд значений времени t, t, t…t, получаем ряд значений t’, t’, t’…t, подставляя их в (2), получаем ряд значений напряжения U2[i] (i=0, 1, 2…N-1).
Если шаг по времени Δt относительно большой, то есть снятую рефлектограмму в промежутках между точками нельзя рассматривать как прямую, то целесообразно применять сплайн-интерполяцию более высокого порядка.
Для того чтобы выбрать оптимальный коэффициент масштабирования по времени К, выполняется итерационная процедура, которая заключается в следующем. Для различных значений К выполняется масштабирование по времени массива U1[i]. Полученный при этом по формуле (2) массив U2[i] каждый раз сравнивается с массивом U0[i].
Сравнение вычитанием производится следующим образом. Пусть имеется массив U0[i], соответствующий образцовой рефлектограмме, и массив U2[i], полученный из текущей рефлектограммы при некотором значении коэффициента масштабирования по времени К. Необходимо охарактеризовать одним числом, насколько массив U0[i] близок к массиву U2[i]. Для этого целесообразно использовать процедуру вычисления первой нормы столбца. При этом вычисляются разности одноименных элементов массивов, модули этих разностей складываются:
где А - результат вычитания, выраженный одним числом.
Значение А является значением целевой функции для процедуры оптимизации, причем будет осуществляться поиск минимума А при разных значениях К.
Сравнение вычислением коэффициента корреляции производится следующим образом. Пусть имеется массив U0[i], соответствующий образцовой рефлектограмме, и массив U2[i], полученный из текущей рефлектограммы при некотором значении коэффициента масштабирования по времени К. Необходимо охарактеризовать одним числом, насколько массив U0[i] близок к массиву U2[i]. Для этого целесообразно использовать коэффициент корреляции, который вычисляется по формуле:
где  и  - средние значения, то есть:
Значение В является значением целевой функции для процедуры оптимизации, причем будет осуществляться поиск максимума В при разных значениях К.
После этого можно считать, что найдено значение К и получен масштабированный массив U2[i], при которых компенсируется отклонение параметров испытуемой линии 9 по сравнению с тем временем, когда была снята образцовая рефлектограмма, которой соответствует массив U0[i].
Место повреждения или место появления неоднородности определяют анализируя разность массивов U2[i] и U0[i], соответствующих масштабированной текущей и образцовой рефлектограммам. При отсутствии повреждения разности будут практически равны нулю при любых значениях i. При появлении повреждения или неоднородности появятся значения, отличные от нуля. По номерам i этих значений можно вычислить расстояние до повреждения.
Вычисление расстояния до места повреждения или неоднородности выполняется по времени задержки от момента зондирования испытуемой линии 9 до момента появления отраженного импульса (сигнала). При этом используется формула:
,
где  - расстояние до искомого повреждения;
V - скорость распространения электромагнитных волн в испытуемой линии 9 при снятии U0[i];
3
t - время задержки отраженного от повреждения импульса (сигнала) относительно зондирующего.
Таким образом, за счет точного совмещения образцовой и масштабированной текущей рефлектограмм удается эффективно обнаруживать и более точно определять место повреждения или место появившейся неоднородности испытуемой линии 9, то есть снижается погрешность определения места повреждения. Преимущества предлагаемого способа особенно проявляются при работе с длинными линиями.