Способ определения мест повреждения линий электропередач распределительных сетей

Изобретение относится к диагностике линий электропередач и предназначено для измерения расстояния до места повреждения, а также выделения поврежденного ответвления в разветвленной электрической сети. Сущность изобретения: в исследуемую линию генерируют зондирующие импульсы, в качестве которых используют дискретно-кодированные сигналы. Принимают отраженные сигналы. Место повреждения определяют по отсутствию отраженного импульса с информационным признаком, индивидуализирующим, по меньшей мере, конкретное ответвление. В качестве информационного признака используют согласованную фильтрацию дискретно-кодированного сигнала на соответствующих концах линии. Технический результат: точное и однозначное определение места повреждения при любой конфигурации линии электропередачи и независимо от типа установленного на ответвлениях оборудования. 1 ил.

 

Изобретение относится к техническим решениям для обнаружения повреждений в линиях электропередач (ЛЭП) и предназначено для измерения расстояния до места повреждения, а также выделения поврежденного ответвления в разветвленной электрической сети.

Известен способ определения места повреждения (ОМП) линий электропередачи и связи [заявка RU 2006123891/28 «Способ определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления», 03.07.2006, опубл. БИ №1 10.01.2008 г.], заключающийся в посылке в линию зондирующих импульсов напряжения от генератора при согласовании выходного сопротивления последнего с волновым сопротивлением линии в соответствии с заданным диапазоном волновых сопротивлений и требуемой точностью согласования, приеме отраженных импульсов, определении места повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего. При этом далее излучают дополнительные зондирующие импульсы напряжения, мгновенные значения напряжения которых получены одной или суммой нескольких гармонических составляющих, принимают отраженные дополнительные импульсы в моменты времени, соответствующие предварительно определенному месту повреждения, подвергают принятые отраженные дополнительные импульсы спектральному анализу, а информацию о месте повреждения уточняют по значениям фазочастотных спектров.

Известен способ определения места повреждения линий электропередачи [Патент RU 2269789 «Способ определения места повреждения линий электропередачи и устройство для его осуществления», 27.09.2004, опубл. БИ №4 10.02.2006 г.], основанный на определении временной задержки отраженного от места повреждения импульса относительно зондирующего импульса. При этом зондирующий импульс подвергают времячастотной модуляции, а отраженный импульс - соответствующей демодуляции, фильтрации и спектральному анализу. Информацию о временной задержке определяют по значениям получаемых амплитудно-частотных спектров.

Недостатком указанных способов является невозможность отыскания повреждения в разветвленной электрической сети.

В качестве прототипа предлагаемого технического решения выбран способ определения мест повреждения линий электропередач распределительных сетей [Патент RU 2292559, 25.08.2005, опубл. БИ №3 27.01.2007 г.], по которому генерируют зондирующий импульс в исследуемую линию электропередач, принимают отраженный импульс и анализируют полученные рефлектограммы, отличающийся тем, что предварительно измеряют амплитудно-частотные характеристики k(f) силовых трансформаторов, включенных в каждом ответвлении распределительных сетей, последовательно генерируют n зондирующих импульсов с частотой заполнения f_m исходя из условий:

K_m(f_m)=0;

K_i(f_m)≠0 при i=1…n; i≠m; m=1…n,

где n - число ответвлений, и принимают отраженные импульсы на частотах заполнения f_m, а i-й номер ответвления, в котором произошло повреждение линии, определяют по наличию во всех рефлектограммах отраженного импульса с одинаковым временем запаздывания и отсутствием отраженного импульса с частотой заполнения f_i от i-го силового трансформатора соответствующего i-го ответвления.

Недостатком известного способа-прототипа является низкая точность определения повреждений в условиях близких частотных характеристик трансформаторов в ответвлениях линий электропередач распределительной сети.

Задача идентификации повреждений на ответвлениях в прототипе решается путем выявления «провалов» амплитудно-частотных характеристик K(f₀)=0, соответствующих трансформаторов и излучения на средних частотах «провалов» зондирующих сигналов. Если послать в линию электропередач зондирующий импульс, заполненный частотой f₀, то он практически отразится и вернется к началу линии. В случае, когда отпайка повреждена, зондирующий импульс не дойдет до силового трансформатора и отражение изменит свой характер. На картине отражений (рефлектограмме) исчезнет отражение от силового трансформатора и появится характерное отражение от места повреждения. Причем расстояние до места повреждения будет меньше расстояния до силового трансформатора. Если на отпайках применены однотипные силовые трансформаторы, то амплитудно-частотные характеристики таких трансформаторов близки друг другу. Соответственно провалы (K(f₀)=0) амплитудно-частотных характеристик этих трансформаторов расположены на частотной оси на малом расстоянии друг от друга.

Для реализации способа-прототипа и обеспечения однозначности измерения расстояний до повреждений необходимо, чтобы происходило частотное «разрешение» сигналов. Это означает, что при минимальной разности между провалами K(f_0i)=0 и K(f_0m)=0 (i, m=1…n; i≠m) зондирующие сигналы должны «разрешаться», т.е. обнаруживаться независимо [Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник / Под ред. Я.Д.Ширмана. - M.: ЗАО «МАКВИС», 1998, стр.454-456].

Для успешного частотного согласованного разрешения необходимо, чтобы сигналы излучались на частотах, отстоящих на меру разрешающей способности. В противном случае появляется возможность возникновения неоднозначности в определении места повреждения. Мера разрешающей способности по частоте определяется величиной, обратной общей длительности сигнала, т.е. для импульсного излучения

где П_u - полоса сигнала, a τ_u - длительность импульса.

Пусть имеется ЛЭП, у которой на соседних близко расположенных отпайках стоят силовые трансформаторы, отличающиеся разностью Δf=f_0i- f_0m=1 кГц частот провалов амплитудно-частотной характеристики. Для такой ЛЭП необходимо излучение сигналов длительности

Поскольку ошибка измерения дальности при ОМП связана непосредственно с ошибкой измерения времени запаздывания, то можно характеризовать точность ОМП точностью измерения времени запаздывания.

Для простоты рассуждений считаем в ЛЭП шум «белым» с постоянной спектральной плотностью (N(f)=N₀=Const), что физически оправдано [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982,

глава 5]. Среднеквадратичная ошибка измерения времени запаздывания при использовании импульсов без внутриимпульсной модуляции составляет [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Сов. радио, 1970, стр.192]

где q - отношение сигнал/шум.

Выберем отношение сигнал/шум q=5, тогда имеем среднеквадратичную ошибку измерения времени запаздывания

Соответственно ошибка в измерении дальности ОМП оценочно составляет

Очевидно, что ошибка в измерении дальности соизмерима с длиной ответвления (отпайки) ЛЭП.

С другой стороны, при простой импульсной локации существует «слепая зона», в которой невозможна реализация обнаружения, вызванная необходимостью блокировки приемника на время излучения зондирующего сигнала. Эта зона определяется длительностью импульса и для рассматриваемого случая оценивается, как

Δl≈C·τ_u3·10⁸·10^-3=3·10⁵ м=300 км.

Очевидно, что «слепая зона» соизмерима с длиной ЛЭП. В таких условиях применение способа-прототипа теряет смысл.

Задачей изобретения являлось создание способа определения мест повреждения линий электропередач распределительных сетей, позволяющего точно и однозначно определить место повреждения при любой конфигурации линии электропередачи, независимо от типа установленного оборудования, например, при наличии в разных ответвлениях трансформаторов с близкими частотными характеристиками или отсутствии трансформаторов на части ответвлений.

Сущность изобретения заключается в применении дискретно-кодированных сигналов с фазовой или частотной модуляцией (манипуляцией). При этом закон модуляции (манипуляции) используется для идентификации повреждений в ответвлениях (отпайках). После излучения дискретно-кодированные сигналы на концах ответвлений подвергают фильтрации. Если на ответвлении есть повреждение, то дискретно-кодированный сигнал отразится от этого повреждения. При отсутствии повреждения в качестве отраженного сигнала выступает отфильтрованный дискретно-кодированный сигнал.

Таким образом, реализация фильтрации на концах ответвлений позволяет идентифицировать поврежденные участки. Предлагаемый способ не зависит от характеристик трансформаторов на концах ответвлений и в принципе - от наличия трансформатора на концах линии (ответвлений).

Технический результат достигается способом определения места повреждения линий электропередач распределительных сетей, по которому в исследуемую линию генерируют зондирующие импульсы, принимают отраженные сигналы и место повреждения точно и однозначно определяют по отсутствию отраженного импульса с информационным признаком, индивидуализирующим, по меньшей мере, конкретное ответвление, в котором, согласно предложению, в качестве зондирующих импульсов используют дискретно-кодированные сигналы, а в качестве информационного признака, индивидуализирующего конкретное ответвление или фазу ответвления, используют согласованную фильтрацию дискретно-кодированного сигнала на концах линии. Очевидно, что параметры согласованной фильтрации предварительно устанавливают индивидуально для каждого ответвления или фазы ответвления.

На чертеже изображен пример структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ определения места повреждения линий электропередач распределительной сети.

Устройство содержит генератор зондирующих импульсов 1, состоящий из блока управляемого выходного сопротивления 2, блока памяти 3, цифроаналогового преобразователя 4 и усилителя мощности 5, приемника 6, вычислительного блока 7 (например, микроЭВМ), блока индикации 8, фильтров 9, согласованных с зондирующими сигналами.

Первый выход генератора 1, которым является выход усилителя мощности 5, соединен с первым входом приемника 6, выход усилителя мощности 5 связан также с входом блока управляемого выходного сопротивления 2, второй выход генератора 1 связан с линией и одновременно - со вторым входом приемника 6. Первый вход генератора 1 является одновременно входом блока памяти 3, соединен с первым выходом вычислительного блока 7, а второй выход генератора 1, являющийся одновременно вторым входом блока управляемого выходного сопротивления 2, соединен со вторым выходом вычислительного блока 7. Вычислительный блок 7 входом/выходом связан с входом/выходом приемника 6, а третьим выходом - с входом блока индикации 8. Фильтры 9, согласованные с зондирующими сигналами, подключены к шинам подстанций каждого из ответвлений линии распределительной сети.

Заявленный способ реализуем в двух основных вариантах:

- В два этапа, когда на первом этапе однозначно определяется расстояние до места повреждения по времени запаздывания отраженного сигнала (импульса) и не однозначно - ответвление или фаза ответвления, при одновременном сокращении количества ответвлений, которые подлежат проверке на втором этапе; на втором этапе осуществляют последовательно посыл только дискретно-кодированных сигналов, соответствующих параметрам согласованной фильтрации для ответвлений или фаз ответвлений из группы, выделенной на первом этапе.

- В один этап, когда количество последовательных дискретно-кодированных сигналов соответствует количеству ответвлений или фаз ответвлений, и по наличию и (или) отсутствию и характеру отраженного сигнала определяют одновременно и расстояние до места повреждения и номер поврежденного ответвления и при необходимости - конкретную фазу в конкретном ответвлении.

В качестве наиболее наглядного рассмотрим первый вариант реализации способа, позволяющий, помимо прочего, обойтись меньшим количеством посылаемых дискретно-кодированных сигналов.

Следует отметить, что дискретно-кодированный сигнал с линейной ступенчатой частотной модуляцией эквивалентен ЛЧМ (линейно частотно модулированному) импульсу [Ч.Кук, М.Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. Под ред. B.C.Кельзона. - М.: Советское радио, 1971, стр.289-300], на примере которого иллюстрируется работа устройства прототипа [RU 2269789, 27.09.2004, опубл. БИ №4, 10.02.2006].

В начале измерений перед определением места повреждения (ОМП) выполняют согласование выходного сопротивления генератора зондирующих импульсов 1 (фиг.1) с волновым сопротивлением линии, подключенной к выходу блока управляемого выходного сопротивления 2. Режим согласования устанавливают вычислительным блоком 7 в соответствии с заданным диапазоном волновых сопротивлений и требуемой точностью согласования.

После завершения процесса согласования выходного сопротивления генератора 1 в вычислительном блоке производится расчет цифровых кодов мгновенных значений дискретно-кодированного сигнала заданной длительности. Цифровые коды с выхода 1 вычислительного блока поступают в блок памяти 3 генератора зондирующих импульсов 1, где записываются и хранятся. Под воздействием управляющих сигналов с первого выхода вычислительного блока отсчеты зондирующего сигнала поступают на цифроаналоговый преобразователь 4 и далее на усилитель мощности 5, на выходе которого формируется заданный зондирующий импульс.

Проходя через блок управляемого выходного сопротивления 2, с его выхода зондирующий импульс поступает в линию, а с выхода усилителя мощности 5 - на первый вход приемника 6 и является опорным при последующей демодуляции отраженного импульса.

В случае зеркального отражения от места повреждения (например, места короткого замыкания ЛЭП) на вход 2 приемника 6 отраженный импульс поступит с временной задержкой по отношению к излученному импульсу. Процесс демодулирования принимаемого колебания в приемнике 6 с помощью опорного сигнала генератора зондирующих импульсов 1 преобразует информацию о месте повреждения, заложенную во времени задержки, в информацию, выраженную в частоте низкочастотной составляющей напряжения приемника 6. После аналого-цифрового преобразования отсчеты принятого сигнала через вход/выход поступают в вычислительный блок 7. Реализация процедур цифрового спектрального анализа позволяет получить оценки амплитудно-частотного спектра, по отсчетам которого можно судить о месте повреждения.

В результате выполнения отмеченных процедур измеряется расстояние до места повреждения, однако в случае разветвленной распределительной электрической сети (например, чертеж), определение места повреждения производится неоднозначно. Определить конкретное ответвление (отпайку), в котором произошло повреждение при однократном зондировании, зачастую не представляется возможным.

Решить проблему неоднозначности позволяет применение ортогональных (независимых) дискретно-кодированных сигналов с частотной или фазовой модуляцией (манипуляцией) с последующей согласованной фильтрацией.

При этом на концах ответвлений (отпаек) устанавливаются фильтры 9, согласованные с определенным видом зондирующего импульса (дискретно-кодированного сигнала). Например, фильтры 9 могут устанавливаться на шинах ответвительных (отпаячных) подстанций. Количество отдельных типов (видов) зондирующих сигналов устанавливается, исходя из количества ответвлений (отпаек) или фаз ответвлений анализируемой линии электропередачи распределительной сети. Каждый из дискретно-кодированных сигналов (зондирующих импульсов) ориентирован на отдельную отпайку (ответвление) и отдельную фазу отпайки распределительной сети. С каждым из дискретно-кодированных сигналов (зондирующих импульсов) согласован только один из фильтров 9.

Один из вариантов установки на ЛЭП согласованных фильтров 9 может быть основан на схемном решении, когда согласованный фильтр устанавливается через высокочастотные конденсаторы между отдельными фазами в конце отпайки (ответвления) ЛЭП. Тогда излучение зондирующего импульса (дискретно-кодированного сигнала) проводится в фазу, к которой через высокочастотный конденсатор подключен вход фильтра 9, а прием отфильтрованного сигнала производится от фазы, к которой через высокочастотный конденсатор подключен выход согласованного фильтра 9. Схемные решения согласованных фильтров 9 для дискретно-кодированных сигналов можно найти, например, в [Ч.Кук, М.Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. Под ред. B.C.Кельзона. - М.: Советское радио, 1971. стр.302-307].

При последовательном излучении дискретно-кодированных сигналов (зондирующих импульсов) согласованная фильтрация конкретного зондирующего импульса будет осуществляться только на отдельной фазе отдельной отпайки (ответвлении), поэтому отфильтрованный отраженный сигнал будет поступать только с фазы этого ответвления (отпайки). Осуществляя такое последовательное зондирование, можно контролировать состояние фаз ответвлений (отпаек), так как при повреждении ЛЭП (например, однофазном замыкании на землю, междуфазном замыкании и др.) согласованной фильтрации в конце отпайки (ответвлении) происходить не будет. В таком случае на вход приемника 6 будет поступать сигнал, не прошедший согласованную фильтрацию. Таким образом, признак отсутствия на входе приемника 6 дискретно-кодированного сигнала, прошедшего согласованную фильтрацию, может характеризовать повреждение отдельной фазы анализируемой отпайки.

Следует заметить, что согласованная фильтрация дискретно-кодированных сигналов (зондирующих импульсов) повышает отношение сигнал/шум на выходе фильтра 9 [например, Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. - М.: Сов. Радио, 1974], что является дополнительным преимуществом по сравнению со способом-прототипом при определении мест повреждения линий электропередач распределительных сетей в условиях помех.

В качестве альтернативного варианта согласованного фильтра 9 может быть рассмотрен фильтр-пробка, например, который обеспечивает максимальный коэффициент отражения для составляющих, входящих в дискретно-кодированный сигнал. Однако по сравнению с ранее рассмотренным техническим решением повышение отношения сигнал/шум не происходит.

Таким образом, в предложенном способе возможно определение не только номера ответвления (отпайки), но и отдельной фазы ответвления, на которой произошло повреждение. Способ работоспособен в условиях, когда на отпайках (ответвлениях) располагаются трансформаторы (автотрансформаторы) с одинаковыми частотными характеристиками, или трансформаторы отсутствуют, по меньшей мере, на части ответвлений, поскольку информативным признаком повреждения является отсутствие дискретно-кодированного сигнала, прошедшего согласованную фильтрацию.

Способ определения мест повреждения линий электропередач распределительных сетей, по которому в исследуемую линию генерируют зондирующие импульсы, принимают отраженные сигналы и место повреждения точно и однозначно определяют по отсутствию отраженного импульса с информационным признаком, индивидуализирующим, по меньшей мере, конкретное ответвление, отличающийся тем, что в качестве зондирующих импульсов используют дискретно-кодированные сигналы, а в качестве информационного признака, индивидуализирующего конкретное ответвление или фазу ответвления, используют согласованную фильтрацию дискретно-кодированного сигнала на соответствующих концах линии.