CC BY
30
УДК 621.311.01
ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
А.Л. КУЛИКОВ, А.А. ПЕТРУХИН, Д.М. КУДРЯВЦЕВ Филиал ОАО “ФСК ЕЭС” - Нижегородское ПМЭС
Предлагается экспериментальный комплекс, позволяющий формировать различные виды радио- и видеозондирующих сигналов и измерять параметры отраженных сигналов от неоднородностей линий электропередач (ЛЭП). Дополнительно возможна работа комплекса в пассивном режиме (без излучения) для регистрации волновых процессов в широком диапазоне частот.
Обсуждается схемное исполнение, а также особенности аппаратурной реализации на современной элементной базе. Комплекс позволяет исследовать большинство методов определения мест повреждений ЛЭП, основанных на модели ЛЭП с распределенными параметрами.
Линии электропередач (ЛЭП) являются наиболее уязвимым звеном электроэнергетических систем [1,2]. Однако до настоящего времени основным методом определения мест повреждений (ОМП) является визуальный осмотр ЛЭП при пешем обходе.
Несмотря на широкие исследования в области ОМП ЛЭП, проводимые в нашей стране [1,2] и за рубежом [3], научный поиск надежных и точных алгоритмов будет еще продолжаться. В последнее время все больше внимания уделяется методам ОМП, основанным на модели ЛЭП с распределенными параметрами [1,2,3]. Поэтому авторами был разработан экспериментальный комплекс по исследованию таких методов ОМП.
Основные особенности методов ОМП, основанных на модели ЛЭП с распределенными параметрами и определяющих структуру исследовательского комплекса, связаны с необходимостью:
- одно- и двухсторонних измерений токов и напряжений на концах ЛЭП;
- цифровой обработки сигналов в широком диапазоне частот и амплитудных значений;
- реализации заданного набора алгоритмов, связанных с ОМП ЛЭП;
- хранения больших массивов данных для последующих экспериментальных исследований качественных показателей алгоритмов ОМП ЛЭП;
- обеспечения не только приема, но и излучения сигналов при реализации методов активного зондирования ЛЭП;
- синхронных двухсторонних измерений для адекватного совмещения информации, полученной с разных концов ЛЭП.
Указанные особенности определили состав и структуру разработанного исследовательского комплекса, представленного на рис. 1.
Комплекс обеспечивает два основных режима работы:
- пассивный, при котором система сбора данных подключалась к обоим концам ЛЭП, излучение (активного зондирования) не производилось, а осуществлялся только прием сигналов с синхронизацией от GPS;
© А.Л. Куликов, А.А. Петрухин, Д.М. Кудрявцев Проблемы энергетики, 2007, № 7-8
- активный, при котором производилось излучение зондирующих сигналов и работа в режиме “на просвет” и “отражение” с синхронизацией приемно-передающих устройств от GPS.
Возможны и другие режимы, например, с односторонним излучением и двухсторонним приемом и обработкой. Однако в ходе экспериментов такие режимы не реализовывались.
Схемное исполнение диагностического комплекса позволяет формировать различные зондирующие сигналы в интересах решения задач ОМП. В качестве зондирующих могут использоваться радио- и видеосигналы с различными видами модуляции:
а) периодическая и непериодическая амплитудная импульсная модуляция зондирующего сигнала;
б) импульсная модуляция с частотной модуляцией в пределах импульсов;
в) импульсная модуляция с фазовой манипуляцией в пределах импульсов;
г) частотная модуляция или фазовая манипуляция близких к непрерывным (квазинепрерывных) сигналов;
д) многочастотное излучение импульсных сигналов и, в частности, последовательное излучение импульсов на различающихся частотах;
е) излучение близких к непрерывным немодулированных сигналов;
ж) комбинация перечисленных видов модуляции.
Рис. 1. Исследовательский комплекс методов ОМП ЛЭП
Сигналы видов а), е), часто называют простыми сигналами, с модуляцией видов б), в), г), д), ж) - сложными или широкополосными сигналами.
Основная цель разработки исследовательского комплекса состояла в определении оптимального состава, конфигурации, программного обеспечения аппаратуры для перспективного промышленного образца устройства ОМП ЛЭП на активном зондировании. В качестве дополнительной рассматривалась задача исследования пассивных методов ОМП ЛЭП (например, волновых [1, 2, 3]), а также изучение возможностей выявления состояния ЛЭП по частичным разрядам на изоляции. Как видно из рис. 1, комплекс состоял из двух комплектов приемопередающих устройств, подключенных к ПЭВМ. Излучение и прием сигналов
осуществлялись через стандартные элементы ВЧ-присоединения ЛЭП. Для реализации двухсторонних алгоритмов ОМП ЛЭП производилась последующая обработка синхронизированных выборок. Высокоскоростные коммуникации для объединения полукомплектов приемо-передатчиков не использовались.
Структурная схема приемо-передающего блока показана на рис. 2 и включает платы: приемника; передатчика; стандартного источника ATX мощностью 250 Вт, питающего приемник; источника мощностью 600 Вт, питающего передатчик. Все узлы приемо-передатчика конструктивно размещались в стандартном компьютерном корпусе INWIN V500. Разъемы для кабелей присоединения расположены на тыльной части корпуса.
Рис. 2. Структурная схема приемо-передающего блока
Передатчик (рис. 3) обладает следующими параметрами:
- максимальная выходная мощность на нагрузке 75 Ом не менее 150 Вт;
- минимальная мощность 3 Вт;
- входное сопротивление 100 Ом;
- частотный диапазон 0,1-2МГц;
- эффективная полоса до 1,5 МГц;
- длительность однократного излучаемого сигнала до 0,4 сек.
Усилитель передатчика (рис. 4) состоит из двух каскадов усиления. Первый
каскад построен на дискретных элементах по схеме операционного усилителя и обеспечивает коэффициент усиления до 29 дБ. Второй каскад содержит два мощных полевых транзистора BLF177 (Philips) и обладает коэффициентом усиления 14 дБ. Таким образом, общий коэффициент усиления составляет около 43 дБ.
Формирование излучаемого сигнала производилось с использованием внешней ПЭВМ, которая производила расчет его мгновенных значений. В последующем сформированный зондирующий сигнал поступал на симметричный вход усилителя с цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), расположенного на плате приемника. Усиленный выходной сигнал через согласующий трансформатор направлялся к фильтру присоединения ЛЭП.
Рис. 3. Плата передатчика
Рис. 4. Усилитель передатчика
В усилителе предусмотрена термозащита мощного выходного каскада передатчика, которая отключает питание при достижении температуры выходных транзисторов более 800С. Включение и выключение источника питания усилитель может производить автоматически по управляющему сигналу платы приемника и вручную от кнопки на передней панели блока. Источник питания приемопередающего блока выполнен по импульсной схеме с параметрами 220 В/48 В, 600 Вт PSP-600, основу блока питания составило техническое решение фирмы MEAN WELL.
Плата приемника (рис. 6) реализована на современной элементной базе, имеет структурную схему рис. 5 и следующие основные параметры:
- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16 разрядов (частота
дискретизации 2,5 или 5 МГц);
- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 14 разрядов (частота
дискретизации 2,5 или 5 МГц);
- буферную память на 2М слова;
- USB-2.0 порт;
- синхронизацию кадра от GPS модулей или внутренняя.
Рис. 5. Структурная схема платы приемника
Рис. 6. Внешний вид платы приемника
Сигнал на вход платы приемника поступает с устройства согласования. В составе входных каскадов предусмотрен программный аттенюатор с затуханием -
40+0 дБ для ослабления мощного сигнала. Через фильтр нижних частот второго порядка с частотой среза 2 МГц сигнал поступает на вход АЦП ADS1605 фирмы Texas Instruments. В качестве коммутатора и схемы управления временной синхронизацией использована программируемая логическая матрица (ПЛМ) фирмы Altera EPM3256. После АЦП данные через ПЛМ записываются в буферную память объемом 2Мслова. Буферная память доступна для чтения и записи от персонального компьютера (ПК) через USB интерфейс. Протокол обмена с ПК и функции управления выполняет контроллер C47C68013 фирмы CYPRESS.
При активном излучении числовые значения мгновенных отсчетов зондирующего импульса формируются в ПК и записываются в буферную память. По сигналу синхронизации 1PPS данные считываются через ПЛМ с частотой дискретизации на 14-разрядный ЦАП AD9744 фирмы Analog Devices. С выхода ЦАПа в аналоговом сигнале с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) подавляется частота дискретизации. Сформированный зондирующий импульс через буферный каскад поступает на усилитель передатчика и излучается в ЛЭП. Частота дискретизации АЦП и ЦАП формируется высокочастотным внутренним генератором фирмы “Морион” ГК 85-ТС.
Точная временная синхронизация работы приемо-передающих блоков на концах ЛЭП в пассивном режиме и режиме “на просвет” обеспечивается GPS модулями Jupiter-T фирмы NAVMAN. Такие модули обеспечивают точность временной синхронизации 50-100 нс при использовании излучений от 4-8 спутников.
В экспериментальном комплексе применены антенны GPS Bulet III (рис.7) фирмы Trimble.
Рис. 7. Антенна GPS
Низкоуровневое программное обеспечение разрабатывалось для контроллера С47С68013 и было необходимо при реализации функций управления приемо-передающим блоком и обработки команд ПК, транслируемых через и8В-2.0 порт.
Пользовательское программное обеспечение использовалось для загрузки числовых значений зондирующего сигнала из файла, синтезированного в среде МаШСАБ, и других функций. К ним относятся: установка параметров излучения и/или приема; обработка и сохранение в файлах информации сигналов, поступающих с ЛЭП, для дальнейшей обработки в МаШСАБ; идентификация файлов по дате и времени а также хранение параметров настройки системы для характерных режимов.
Пользовательский интерфейс программного обеспечения изображен на рис. 8.
Рис. 8. Пользовательский интерфейс программного обеспечения исследовательского комплекса
В левой части окна пользовательского интерфейса:
Parameters - установка параметров;
PPS - выбор источника синхронизации GPS или внутренний SELF;
RATE - 5 МГц (АЦП 14 р) или 2,5 МГц (АЦП-16 р);
ATT (HEX) - число, определяющее аттенюацию входного сигнала;
LENGTH - число, определяющее количество временных отсчетов в одной реализации;
Enable continuos mode - установка режима множества временных реализаций;
Realisations - число, определяющее количество реализаций;
Enable autowrite - установка режима записи данных на жесткий диск;
Start time - установка времени начала измерений;
Enable Synchr - режим старта измерений по установленному времени.
В правой части окна:
Start ADC - клавиша старта измерений в пассивном режиме;
Start Locat - клавиша старта измерений в зондирующем режиме.
Ниже расположено окно для отображения буфера принимаемых данных в координатах: по оси Y - амплитуда, по оси X - временные отсчеты. При нажатии клавиши FFT в окне будет отображен спектр принимаемого сигнала: по оси Y -амплитуда в логарифмическом масштабе, по оси X - отсчеты частоты. Пределы
шкалы по оси Y можно выбрать вручную или автоматически нажатием клавиши AUTO.
Таким образом, разработанный комплекс аппаратуры и программного обеспечения позволил синтезировать излучаемый сигнал и выполнить согласованную (оптимальную) обработку принимаемых сигналов с ЛЭП. Указанными функциями исследовательского комплекса достигается реализация пассивных и активных методов ОМП, основанных на модели ЛЭП с распределенными параметрами [1, 2, 3].
Потенциальный коэффициент сжатия для сложных сигналов при использовании рассмотренного исследовательского комплекса достигал 200 000, что позволило достичь отношение сигнал/шум около 56 дБ [4]. Дальнейшее повышение качества цифровой обработки сигналов обеспечивалось когерентным накоплением сигналов.
Разработанный экспериментальный комплекс позволяет исследовать известные и перспективные методы ОМП, основанные на модели ЛЭП с распределенными параметрами.
Summary
The experimental complex is offered, allowing to form various kinds of radio and video of probing signals and to measure parameters of the reflected signals from discontinuity of electric lines. Work of a complex in a passive mode (without radiation) for registration of wave processes in a wide range of frequencies is in addition possible.
Circuit execution, and also features of hardware realization on modern element base is discussed. The complex allows to research the majority of methods of definition of places of damages of the electric lines based on model of electric lines with allocated parameters.
Литература
1. Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи / Под ред. В.А. Шуина. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 272 с.
2. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. -М.: Энергоатомзидат, 1982. - 312 с.
3. Johns A.T., Saltman S.K. Digital Protection for Power Systems; IEE Power Series 15, Peter Peregrims Ltd, 1995. - 203 c.
4. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория: Справочник / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: ЗАО “МАКВИС”, 1998. - 828 с.
Поступила 16.03.2007
