СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ГОЛОЛЁДНЫХ НАГРУЗОК НА ПРОВОДА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
OVERHEAD TRANSMISSION LINES WIRES ICE LOADS CONTROL SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к электроэнергетике и может использоваться для мониторинга процессов гололедообразования и плавки гололедных отложений на проводах воздушных линий электропередачи.
Уровень техники
Распространенным методом контроля гололедной нагрузки на провод является измерение его провиса, что объясняется изменением расстояния от провода до земли при растяжении провода в результате оледенения.
Известен способ обнаружения гололеда и «пляски» проводов на воздушных линиях электропередачи [1], согласно которому измеряют параметры электрического поля на антеннах, располагаемых в начале и середине контролируемого пролета на одинаковом безопасном расстоянии от проводов. Поскольку расстояние от антенны, находящейся в начале пролета, до высоковольтных проводов практически неизменно, а расстояние от второй антенны до высоковольтных проводов определяется степенью их провиса, то отношение потенциалов, наведенных на антеннах, позволяет фиксировать наличие гололеда, а изменение этого отношения с характерной частотой является признаком «пляски» проводов.
К недостаткам данного способа следует отнести сложность его реализации ввиду необходимости монтажа громоздких антенн (длина которых равна расстоянию между крайними фазными проводами), а также недостаточную точность измерения гололедной нагрузки по причине искажения электрического поля внешней средой (например, в результате оледенения самих антенн или накоплении на них снега), отклонений проводов в пролете под воздействием ветра, влияния температуры провода на величину его провиса.
Наиболее близким к изобретению (прототипом) является способ контроля провиса провода линии электропередачи [2]. Данный способ подразумевает размещение на проводе подвесного датчика температуры, выполненного с возможностью излучения ультразвукового импульса, а под проводом – контрольного устройства с разнесенными по горизонтали поперек линии двумя ультразвуковыми приемопередатчиками. При помощи подвесного датчика температуры по команде контрольного устройства осуществляют излучение ультразвукового импульса, принимают ультразвуковой импульс на первый и второй ультразвуковые приемопередатчики и по времени распространения ультразвукового импульса до первого и второго ультразвуковых приемопередатчиков вычисляют положение провода в плоскости, поперечной линии электропередачи, при этом для определения скорости звука в воздухе измеряют время прохождения ультразвуковых импульсов от одного ультразвукового приемопередатчика к другому.
Влияние метеорологических условий на точность регистрации провиса провода является недостатком прототипа и следствием ограничений, связанных с физической природой ультразвука (частичное отражение ультразвукового импульса от снежно-ледяных частиц в пространстве между подвесным датчиком температуры и контрольным устройством, зависимость скорости распространения звука от параметров ветрового потока, неоднородного по высоте и на всей дистанции пролета).
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при реализации изобретения, заключается в повышении точности измерения гололедных нагрузок на провода ЛЭП путем исключения или минимизации влияния внешних искажающих факторов.
Сущность изобретения
Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерения гололедных нагрузок за счет помехоустойчивости канала регистрации провиса провода.
Технический результат достигается тем, что система контроля гололедных нагрузок на провода воздушных линий электропередачи содержит измерительные посты, каждый из которых включает в себя закрепляемые на проводе оптическую метку на удалении от опоры, подвесной датчик температуры вблизи опоры, выполненный с возможностью беспроводной передачи данных, а также устанавливаемые на опоре видеокамеру, ориентируемую на оптическую метку, с инфракрасным прожектором и устройством стабилизации, и метеостанцию, при этом видеокамера и метеостанция соединены с блоком обработки информации, выполненным с возможностью приема данных от подвесного датчика температуры, а также доступа к беспроводным каналам связи, при этом каждый измерительный пост соединен с удаленным терминалом на ближайшей электрической подстанции, связанным с главным терминалом на территории диспетчерского центра управления.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает размещение элементов измерительного поста на теле опоры и на проводе ЛЭП.
Фиг.2 иллюстрирует схему работы системы контроля гололедных нагрузок на провода воздушных линий электропередачи.
Осуществление изобретения
Система контроля гололедных нагрузок на провода воздушных линий электропередачи содержит измерительные посты (фиг.1). В состав элементов измерительного поста, устанавливаемых на проводе, входят оптическая метка 1, закрепляемая на удалении от опоры и являющаяся маркером положения провода, и подвесной датчик температуры 2, регистрирующий изменение температуры провода, выполненный с возможностью беспроводной передачи данных и монтируемый вблизи опоры. На опоре устанавливается видеокамера 3, ориентированная на оптическую метку 1 и фиксирующая ее пространственные координаты, с инфракрасным прожектором 4, обеспечивающим всепогодность видеофиксации при любом уровне естественного освещения, и устройством стабилизации 5, устраняющим горизонтальные девиаций видеокамеры 3. На опоре также монтируется метеостанция 6, регистрирующая параметры текущей метеообстановки. Видеокамера 3 и метеостанция 6 соединены с блоком обработки информации 7, выполненным с возможностью приема данных с подвесного датчика температуры 2, а также доступа к беспроводным каналам связи и осуществляющим сбор информации, вычисление величины провиса провода путем дискретизации видеосигнала и идентификации оптической мишени на сохраняемых изображениях, а также передачу данных, аккумулированных измерительным постом, посредством соответствующего канала связи.
Для обеспечения функционального предназначения система контроля гололедных нагрузок на провода воздушных линий электропередачи (фиг.2) содержит измерительные посты 1, передающие информацию о текущих условиях эксплуатации ЛЭП удаленному терминалу 2, размещаемому на ближайшей электрической подстанции и выполняющему передачу полученной информации на главный терминал 3, устанавливаемый на территории диспетчерского центра управления и осуществляющий расчеты параметров гололедной нагрузки, режима плавки отложений, а также прогнозирование гололедообразования и обеспечивающий человеко-машинный интерфейс (между дежурным оператором и системой).
Система контроля гололедных нагрузок на провода воздушных линий электропередачи функционирует следующим образом.
Изменение провиса провода ЛЭП при гололедообразовании или плавки гололедных отложений приводит к изменению положения оптической метки 1 (фиг.1), выполненной в виде световозвращательного элемента, при этом текущая температура провода в момент его деформирования, измеряется подвесным датчиком температуры 2, реализованным с возможностью беспроводной передачи данных, например, по протоколу bluetooth.
1
1
Изменение провиса провода f в точке крепления оптической метки 1 на удалении l от начала пролета при различных значениях температуры провода t наглядным образом подтверждается данными, приведенными в таблице 1, полученными в результате расчета, выполненного по общеизвестной методике, изложенной в [3], для ЛЭП 110 кВ (провод АС-120/19, длина пролета 200 м, II район по ветру, IV район по гололеду, температура гололедообразования -5°C).
Таблица 1. Величина провиса провода при различных условиях
Толщина гололедной муфты на проводе, мм
Провис провода в месте крепления оптической метки (l<sub>1</sub>=65 м), м
t=-5°C
t=-15°C
0
5,75
5,56
5
5,90
5,73
10
6,11
5,94
15
6,35
6,19
20
6,62
6,47
25
6,91
6,77
Пространственные координаты оптической метки 1 с высокой точностью фиксируются видеокамерой 3, при этом условием получения технического результата является обеспечение помехоустойчивости канала регистрации провиса провода, а именно исключения влияния погодных условий и суточных изменений уровня естественного освещения на процесс видеорегистрации положения оптической метки 1.
min
1
1
1
min
2
2
-1
-3
-1
2
2
-3
Проверим возможность получения технического результата при использовании в качестве элементов системы стандартного оборудования, а именно инфракрасного прожектора с дальностью подсветки l=80 м (например, VIDEOTEC IRH30H8A) и черно-белой камеры видеонаблюдения c ПЗС-матрицей чувствительностью E=0,1 лк (например, ACM-5001). Показатель дальности подсветки указывает на возможность инфракрасного прожектора создавать освещенность E=2 лк (для камеры с чувствительностью не хуже 0,1 лк) на плоскости, перпендикулярной к оси излучателя и удаленной от него на расстояние l [4], следовательно, сила света инфракрасного прожектора составляет I=E×l=2×80=12800 кд. При наличии взвешенных в воздухе снежных частиц, существенно превышающих длину волны излучения, потери на рассеяние не зависят от длины волны, следовательно, применим закон Кошмидера [5], согласно которому метеорологическая дальность видимости определяется выражением MOR=3/α, где α – коэффициент потерь на рассеяние, м. Согласно приведенным в [6] результатам метеорологических исследований в случае густого снегопада интенсивностью 3 мм/ч MOR=450 м, а величина α=3/450=6,67×10 м. Тогда согласно закону Алларда [5] при неблагоприятных погодных условиях (густом снегопаде) и размещении оптической метки 1 на удалении l=65 м от начала пролета уровень освещенности, создаваемый инфракрасным прожектором, составит E=(I/l)×exp(-α×l)=(12800/65)×exp(-6,67×10×65)=1,96 лк, что превышает порог E более чем в 19 раз и гарантирует стабильное качество изображения, выдаваемого видеокамерой, а также свидетельствует об исключении влияния внешних искажающих факторов на точность регистрации пространственных координат оптической метки 1.
В процессе видеофиксации устройство стабилизации 5, выполненное на базе гироскопа, устраняет возможные девиации видеокамеры 3 в горизонтальной плоскости, а метеостанция 6 выполняет измерения параметров текущей метеообстановки, таких как скорость и направления ветра, температура и относительная влажность воздуха, величина солнечной радиации. Блок обработки информации 7 осуществляет опрос подвесного датчика температуры 2 и сбор данных с метеостанции 6, а также аналого-цифровое преобразование сигналов потокового видео с видеокамеры 3 и их покадровый ввод и запись с целью дальнейшего определения координат оптической метки 1 и расчета провиса провода. Определение положения оптической метки 1 выполняется путем поиска и распознавания на видеокадрах фрагмента, соответствующего шаблонному изображению оптической метки 1. Для этого используется алгоритм корреляционного совмещения [7], который сводится к поиску максимума двумерной функции корреляции анализируемого и шаблонного изображений.
Декартовы координаты провода в точке крепления оптической метки 1 вычисляются следующим образом:
0
0
x=x+(x'-x')/n,
0
0
y=y+(y'-y')/n,
0
0
0
0
0
0
где x, y – начальные координаты провода (м), определяемые в процессе калибровки при отсутствии гололедных отложений; x', y' – текущие координаты оптической метки 1 (пикс); x', y' – координаты оптической метки 1 (пикс), соответствующие начальным координатам провода x, y; n – переводной коэффициент (пикс/м), определяемый отношением размера изображения, спроецированного на ПЗС-матрицу видеокамеры 3, к размеру оптической метки 1.
1
1,г
1,г-в
Приведенные соотношения используются для расчета величины провиса провода (на расстоянии l в месте крепления оптической метки 1) от воздействия гололедной и суммарной гололедной-ветровой нагрузок (f и f соответственно):
1,г
f=h-y,
1,г-в
2
2
0,5
f=[x+(h-y)],
где h – высота крепления провода (м).
По завершении всех предусмотренных измерений и расчетов блок обработки информации 7 осуществляет передачу данных, аккумулированных измерительным постом, по беспроводному каналу связи.
С учетом вышеперечисленных операций для технической реализации блока обработки информации 7 потребуются bluetooth-модуль (для опроса подвесного датчика температуры 2), фрейм-граббер (средство захвата видеокадра), одноплатный компьютер и радиомодем.
В составе системы контроля гололедных нагрузок на провода воздушных линий электропередачи (фиг.2) измерительные посты 1 осуществляют передачу информации удаленному терминалу 2, который может быть выполнен на базе стандартного коммуникационного модуля RTU, предназначенного для сбора и передачи данных с малого количества точек учета (менее 100).
Для передачи информации с удаленного терминала 1 на главный терминал 2 могут быть использованы следующие каналы связи: собственные или арендованные оптоволоконные линии, частные радиосети, аналоговые телефонные линии, сотовые сети GSM (GPRS).
2
Посредством соответствующего программного обеспечения главный терминал 2 одновременно выполняет расчеты параметров гололедно-ветрового воздействия для всех контролируемых системой участков ЛЭП. Так, механическое напряжение в материале провода σ (Н/мм) вычисляется следующим образом:
<mrow><mi>σ</mi><mtext>=</mtext><mfrac><mtext>1</mtext><mi>β</mi></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>l</mi><mtext>2</mtext></msup><mrow><mo>[</mo><mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mtext>1</mtext><mtext>,р</mtext></mrow><mn>2</mn></msubsup><mtext>-</mtext><msubsup><mi>f</mi><mrow><mtext>1</mtext><mtext>,0</mtext></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mtext>6</mtext><mo>⋅</mo><msubsup><mi>l</mi><mtext>1</mtext><mtext>2</mtext></msubsup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>l</mi><mtext>-</mtext><msub><mi>l</mi><mtext>1</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow></mfrac><mtext>-</mtext><mi>α</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mtext>-</mtext><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext>+</mtext><mfrac><mrow><mi>G</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mtext>1</mtext></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>l</mi><mtext>-</mtext><msub><mi>l</mi><mtext>1</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mtext>2</mtext><mo>⋅</mo><mi>F</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mn>1,0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
2
2
2
1,р
1,0
0
г
г-в
1,р
1,г
1,р
1,г-в
г
где β – коэффициент упругого удлинения провода (мм/Н); l – длина пролета (м); f – провис провода в точке крепления оптической метки в расчетном режиме (м); α – температурный коэффициент линейного удлинения (1/град); G – вес 1 м провода (Н); F – фактическое сечение провода (мм); t – текущая температура провода (°C); f, t – соответственно провис (м) и температура провода (°C) в режиме калибровки системы (при отсутствии гололеда и отклонения провода ветром). При этом величина механического напряжения от веса гололеда σ и совместного воздействия гололеда и ветра σ определяются при f=f и f=f соответственно. Удельная нагрузка на провод от веса гололеда γ (Н/(м×мм)) рассчитывается с помощью выражения
<mrow><msub><mi>γ</mi><mtext>г</mtext></msub><mtext>=</mtext><mfrac><mrow><mtext>2</mtext><mo>⋅</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mtext>1</mtext><mtext>,г</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>σ</mi><mtext>г</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mtext>1</mtext></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>l</mi><mtext>-</mtext><msub><mi>l</mi><mtext>1</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
а эквивалентная по нагрузке толщина гололедной муфты b (мм) составляет
<mrow><mi>b</mi><mtext>=0</mtext><mtext>,5</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><mtext>144</mtext><mtext>,211</mtext><msub><mi>γ</mi><mtext>г</mtext></msub><mi>F</mi><mtext>+</mtext><msup><mi>d</mi><mtext>2</mtext></msup></mrow></msqrt><mtext>-</mtext><mi>d</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
b
i
i-1
где d – диаметр провода (мм). С учетом последнего соотношения интенсивность гололедообразования/плавки гололедных отложений V (мм/ч) за промежуток времени Δτ=τ-τ (ч) будет определяться как
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>b</mi></msub><mtext>=</mtext><mfrac><mrow><msub><mi>b</mi><mi>i</mi></msub><mtext>-</mtext><msub><mi>b</mi><mrow><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>i</mi></msub><mtext>-</mtext><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
Путем программной реализации соответствующих известных методик, изложенных в [8], [9], переданные с измерительных постов 1 и вычисленные данные используется главным терминалом 3 для расчетов процесса плавки гололедных отложений и прогнозирования гололедообразования.
Трансляция полученной информации персоналу диспетчерского центра управления выполняется посредством человеко-машинного интерфейса, который обеспечивается главным терминалом 3.
Технически главный терминал 3 может быть реализован в виде рабочей станции с дополнительными устройствами подключения к каналам связи.
Источники информации
1. Патент RU 2016450 C1, МПК H02G 7/14, H02G 7/16. Способ обнаружения гололеда и «пляски» проводов на воздушных линиях электропередачи / Аманмамедов Ч.А., Карабаев Г.Х., Кулиев Т.А., Суханов С.С.; заявитель и патентообладатель Туркменский политехнический институт; заявл. 09.12.1991; опубл. 15.07.1994.
2. Патент RU 2494511 C1, МПК H02G 7/16. Способ контроля провиса провода линии электропередачи / Мустафин Р.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Казанский государственный технический университет»; заявл. 27.04.2012; опубл. 27.09.2013.
3. Глазунов А.А. Основы механической части воздушных линий электропередачи. В 2 т.Т. 1. Работа и расчет проводов и тросов / А.А. Глазунов. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. – 192 с.
4. Кухаренко М. Встроенная подсветка в камерах СВН [Электронный ресурс] / М. Кухаренко // Современные системы безопасности и видеонаблюдения. – Режим доступа: http://roscam-ufa.ru/stati-2/2013-06-30/vstroennaya-podsvetka-v-kamerakh-svn.
5. Bennett A. Introduction to atmospheric visibility estimation [Electronic resource] / A. Bennett // Bristol industrial and research associates limited. – Mode of access: http://www.biral.com/wp-content/uploads/2015/02/Introduction_to_visibility-v2-2.pdf.
6. Зверева С. В. В мире солнечного света / С. В. Зверева. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 160 с.
7. Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс.– М.: Техносфера, 2005. – 1072 с.
8. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах / И.И. Левченко [и др.]. – М.: МЭИ, 2007. – 448 с.
9. Шилин А.Н. Применение искусственных нейронных сетей для прогнозирования аварий воздушных линий электропередачи в гололедный период / А.Н. Шилин, А.А. Шилин, С.С.Дементьев // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2016. – N 2. – С.15-21.