CC BY
17
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.8.98-101 УДК 621.311
А. В.Евстигнеев, В. В.Колобов
СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОДВЕСНЫХ ОПН
Аннотация
В данной статье описаны способы реализации устройства для контроля состояния подвесных ограничителей перенапряжения нелинейных с применением беспроводных технологий.
Ключевые слова:
ограничители перенапряжения нелинейные, беспроводная передача данных, сбор данных.
A. V. Evstigneev, V. V. Kolobov
THE APPROACHES OF DESIGN THE DEVICE FOR MONITORING THE STATE OF TRANSMISSION LINE ARRESTER
Abstract
In this article some approaches of implementation the device for monitoring the state of transmission line arrester using wireless data communication are described.
Keywords:
transmission line arrester, wireless data communications, data acquisition.
В последние годы наряду с подстанционными нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН), широкое применение находят защитные аппараты, предназначенные для защиты линейной изоляции воздушных линий электропередачи (ВЛ) [2].
Основными объектами такой защиты являются:
• высокие переходные пролеты через водоемы и другие преграды на рельефе трассы ВЛ;
• места на ВЛ с ослабленной изоляцией;
• двухцепные линии электропередачи с вертикальной подвеской проводов;
• места ВЛ, проходящей через районы с высокой грозопоражаемостью;
• районы с плохо проводящими грунтами и большим сопротивлением заземления опор;
• ВЛ на которых отсутствуют грозотросы.
В связи с широким применением защитных аппаратов такого типа возникает задача контроля их состояния и оценки остаточного ресурса для своевременного вывода ОПН из эксплуатации.
Задача осложняется тем, что количество подвесных ОПН может в несколько раз превосходить количество подстанционных ОПН и их распределением вдоль защищаемого объекта, который может составлять более 100 км. Закладывая безотказность наработки подвесного ОПН в районе первых десятков лет, можем получить в целом не надёжную систему. В то же время ранняя диагностика аппарата, могла бы предотвратить аварию на объекте в целом, позволить диспетчеру принять меры для последующих переключений способных перебросить передаваемую мощность на другие ВЛ.
Вышеизложенные проблемы определяют актуальность построения системы мониторинга и контроля разрядов в каждом ОПН с последующей передачей информации на пульт.
Данная задача может быть решена при помощи диагностического устройства [3] и модулей измерения импульсных токов ОПН [1, 4], разработанных в Центре физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Ввиду особенностей расположения подвесных ОПН, для передачи информации о состоянии защитного аппарата измерительные модули необходимо дополнить устройством, обеспечивающим технологию беспроводной передачи данных.
Рассмотрим первый вариант построения устройства мониторинга линейных ОПН. В данной схеме используется основной микроконтроллер и радиочастотный трансивер. Основной микроконтроллер используется для измерения тока проводимости и регистрации срабатываний ОПН. В качестве основного можно использовать 8-ми либо 32-х битный микроконтроллер с RISC архитектурой. Радиочастотный трансивер подключается к основному микроконтроллеру (МК) посредством SPI интерфейса и является подчиненным по отношению к основному МК.
Второй вариант построения устройства основан на применении так называемых систем на кристалле (SoC). Данные интегральные микросхемы содержат в своем составе основное вычислительное ядро, используемое для пользовательских приложений, радиочастотное ядро, в памяти которого находится стек протоколов для беспроводной передачи данных, а также периферийные устройства (аналого-цифровой преобразователь, таймеры, часы реального времени и т.д.).
Преимущество наличия такого количества периферийных устройств позволяет с помощью только одного микроконтроллера построить такие блоки как измерения гармонического состава токов проводимости ОПН, регистрации импульсных токов ОПН с привязкой их к времени события, что в целом приведёт к конечному снижению стоимости одного блока.
В качестве такой системы на кристалле рассмотрим микросхему фирмы Texas Instruments CC2650 (Рис. 1).
Данная микросхема поддерживает как стандартные протоколы беспроводной передачи данных (Bluetooth Low Energy, ZigBee/6LoWPAN), так и протоколы, определяемые пользователем. Предварительные оценки по дальности радиосвязи между блоками составляет более 500 метров, что возможно позволит устанавливать блоки не на каждой опоре ВЛ. Предлагаемая микросхема состоит из трех ядер, связанных между собой коммуникационными шинами.
Основное ядро (Main core) системы выполнено на основе 32-х битной архитектуры ARM Cortex-M3 и содержит в себе FLASH-память размером 128 килобайт для хранения пользовательской программы. Данное ядро предназначено для обработки данных, поступающих от периферийных устройств ядра, реализации прикладного уровня протокола передачи данных и т.д.
Радиочастотное ядро (RF core) выполнено на основе архитектуры ARM Cortex-M0. Во FLASH-памяти радиочастотного ядра записано проприетарное программное обеспечение, обеспечивающее стек протоколов беспроводной передачи данных.
Также в данной микросхеме присутствует ядро управления периферийными устройствами (Sensor controller). Данное ядро представляет собой 16-ти битный сверхмалопротребляющий контроллер и позволяет независимо от основного ядра работать и считывать информацию с периферийных устройств в энергосберегающих режимах.
Микросхема в большей части времени будет находиться в режиме пониженного потребления, в котором идут только часы реального времени, и пробуждаться во время импульсных токов ОПН и на моменты синхронизации по передаче информации по цепочке диспетчеру. Применение недорогого литий-тионилхлоридного элемента питания, позволит блоку отработать без замены элемента питания около 20 лет.
SimpleLink СС2650 Wireless MCU
Main CPU
ARM
CorteK-M3
cJTAG
ROM
128-KB Flach
General Peripherals / Modules
AES
32 ch. ijDMA
Temp. Monitor
RTC
DC/DC Converter
RF core Digital PLL
DSP Modem
ARM
Cortex-MO
12 С 4x 32-bit Timer
U ART 2x SSI (SPI)
I2S WD Timer
10/15/31 G PI Os TRNG
Sensor controller
Sensor Controller Engine
12-bit ADC, 200 ks/s
2x Comparator
S PI-12 С Digital Sensor IF
Constant Current Source
Time-to-Digital Converter
2-KBSRAM
Рис. 1. Функциональная схема системы на кристалле CC2650 Fig. 1. Functional scheme of a system on crystal CC2650
iGG
Выводы
1. В связи с широким применением ОПН подвесного типа, возникает задача контроля их состояния и оценки остаточного ресурса, которая осложняется особенностями расположения данных защитных аппаратов и их количеством на защищаемом объекте.
2. Современная элементная база позволяет реализовать устройства для контроля состояния ОПН с использованием системы на кристалле для беспроводной передачи данных, т.е. на одной микросхеме с применением небольшого количества внешних дискретных элементов.
3. Системы на кристалле позволяют организовать надежную сеть для беспроводной передачи данных, что особенно актуально, учитывая особенности расположения ОПН подвесного типа, их количество и распределение вдоль защищаемого объекта.
Литература
1. Баранник М. Б. Разработка устройства регистрации импульсных токов, протекающих через ОПН под воздействием коммутационных и грозовых перенапряжений в процессе эксплуатации / М. Б. Баранник, В. В. Колобов, П.И.Прокопчук // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Вып. 6. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2013. С. 86-92.
2. Зубков А. С. Подвесные ОПН как средство повышения надежности работы воздушных линий электропередачи (опыт применения) / А. С. Зубков, В. В. Власов, А. В. Сухар // Третья научно-практическая конференция. Новосибирск, 2008. С. 201-208.
3. Баранник М. Б. «СКАТ-3» Прибор оперативной диагностики нелинейных ограничителей перенапряжения «СКАТ-3» / М. Б. Баранник, В. В. Колобов, Д. В. Куклин // Моделирование переходных процессов и установившихся режимов в высоковольтных сетях. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2008.
4. Баранник М. Б. Аспекты функциональной достаточности и электромагнитной совместимости устройств для регистрации срабатывания ОПН / М. Б. Баранник, А. В. Евстигнеев, В. В. Колобов // Труды КНЦ РАН Энергетика. Вып. 6. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2013. С. 101-107.
Сведения об авторах Евстигнеев Артем Викторович,
инженер лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»,
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: evstigneev@ien.kolasc.net.ru
Колобов Виталий Валентинович
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: 1_i@mail.ru
