CC BY
6
УДК 621.313
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-16-21
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛЭП
В.М. Степанов, В.Ю. Непомнящий, С.В. Ершов, А.О. Шарлай
В статье затронут вопрос транспортировки электроэнергии от электростанции к потребителям, который является одной из важнейших задач энергетики. Передача электроэнергии осуществляется преимущественно посредством воздушным линиям электропередачи (ЛЭП), которые включают в себя кабельные линии и оборудование для преобразования энергии и согласования с нагрузкой. Эффективность и надежность транспортировки электрической энергии зависит от состояния сетей электроснабжения. Неразрушающий мониторинг воздушных ЛЭП дает возможность решения многих проблем в этой области.
Ключевые слова: Надежность электроснабжения, энергоэффективность, мониторинг ЛЭП
Основу модуля дистанционного мониторинга проводов ВЛ составляет устройства обработки данных, полученных от датчиков, установленных модуле. Это позволяет выполнить формирование математической модели на основе выходных данных с датчиков. На указанном этапе создания системы осуществляется оснащение модуля диагностики ВЛ следующими датчиками:
- датчиками дистанционной диагностики температуры, параметров протекающего тока и возникновения нарушения целостности проводов высоковольтных ВЛ, а также распределительных сетей;
- датчиками дистанционной диагностики параметров угла стрелы провеса и вибрации проводов высоковольтных линий электропередач.
Информация с указанных датчиков модулей, установленных на ВЛ, направляется на узел сбора информации от устройств дистанционной диагностики для последующего анализа и перенаправления полученной информации по приемным установкам электросетевых компаний и аварийных служб для принятия решения о возможном возникновении нештатных и аварийных ситуаций.
В состав устройства дистанционного мониторинга проводов линий электропередач может входить несколько датчиков для диагностики проводов ВЛ 6-220 кВ на основе информации о которых осуществляется построение математической модели. Последовательность алгоритма формирования входных и выходных параметров цифровой математической модели с учетом обработки получаемых данных от датчиков модуля дистанционного мониторинга элементов сети представлен на рис. 1.
Модуль съема энергии
Ионисторы Модуль заряда ионисторов
ч
Модуль
измерения
протекающего
тока
é
Датчик
измерения
температуры
\
/
Модуль
измерения
положения в
пространстве
\
t >
Модуль
передачи/
ретрансляции
данных
\ |
Микропроцессорный модуль обработки и передачи данных
Энергонезависимая память
Рис.1. Последовательность алгоритма формирования входных и выходных параметров цифровой математической модели с учетом обработанных данных, получаемых от датчиков модуля дистанционного мониторинга проводов линий электропередач
Одна из возможных структур модуля дистанционного мониторинга высоковольтных линий, оборудованная датчиками, представлена на рис. 2 [5].
|Вшнмс параметры I
Ток, мгновенные значения, оецнки-рафировшок А
Ток, лейе гвуюшее значение А
Температура (довода (■род.С
Акселерометр, мгновенное значение т 1И£
Датчик тока Летчик температуры Лксслсромстр Угол ориентации
Цифровая математически модель модуля дистанционного мониторинга
проводов ел
Hi.iYo.IHMf парлмецш
Вибрация. юлиипула мм
Вибрация. частот Гц
Пляска. омЕшлула м
Пляска, частота Гц
Угол про гикга град.
Обрыв ггронолв цаГнет
Рис.2. Одна из возможных структур модуля дистанционного мониторинга ВЛ,
оснащенного датчиками
Датчик измерения температуры предназначен для температурного мониторинга участка ВЛ и входящего в него оборудования в диапазоне от минус 40 до +200 °С. Датчик работает в повторно-кратковременном режиме. Этап получения данных формируется исходя из длительности цикла реагирования на нештатные ситуации. Принцип измерения температуры ВЛ основан на непосредственном контакте температурного датчика с токонесущим проводом.
Построение схемы измерения температуры ВЛ основывается на использовании температурного сенсора, осуществляющего передачу данных об измеряемой температуре по шине КС Задействование датчика происходит через определенные промежутки времени, настраиваемого с помощью программного обеспечения, в зависимости от возникающих условий. Массив полученных данных обрабатывается микропроцессорным блоком обработки и передачи данных. Кроме того, данные о величинах температуры могут контролироваться посредством виртуального терминала UART.
Блок измерения тока, протекающего по ВЛ, работает на основе модуля измерения рабочего тока. В состав блока измерения протекающего тока входят токовый трансформатор, который, собственно, и осуществляет измерение рабочего тока ВЛ. На вторичной обмотке трансформатора образуется напряжение, которое прямо пропорционально величине рабочего тока. Данный сигнал через фильтр нижних частот направляется на вход аналогово-цифрового преобразователя микроконтроллера. Непосредственно у входа аналогово-цифрового преобразователя устанавливается операционный усилитель, применяемый для исключения образования на входе аналого-цифрового преобразователя величины отрицательного напряжения. Данные о величине измеренного напряжения обрабатываются микропроцессорным модулем обработки и передачи данных.
Узел анализа положения в пространстве предназначен для измерения уровня вибрации проводов и угла ориентации. В качестве модуля измерения положения в пространстве применяется датчик, построенный микро-электромеханической системе - МЭМС, который нашел широкое применение в последнее время. Широкую популярность МЭМС-технологии можно объяснить рядом причин, наиболее значимыми из которых являются простота использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС -датчики, в большинстве случае, оснащаются встроенной электронной системой обработки сигнала и не имеют подвижных частей. Благодаря этому достигается их высокая надежность и свойство обеспечивать стабильные показания в достаточно тяжелых условиях окружающей среды (перепады температур, механическое воздействие, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи). Весь набор данных преимуществ способствует выбору разработчиками систем для различных сфер применения (от авиа- и автомобилестроения до электроэнергетических систем) использовать в своих разработках те или иные МЭМС - сенсоры. [1].
В настоящее время широко применяются МЭМС-датчики движения, которые работают на основе конденсаторного принципа. Подвижная часть системы представляет собой классический грузик на подвесах. При возникновении ускорения грузик перемещается относитель-
но неподвижной части акселерометра. Одна из половин конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно другой половинки на неподвижной части. Емкость меняется, если заряд не изменен, то меняется напряжение — это изменение можно зафиксировать и определить величину смещения грузика. Таким образом, зная его массу и параметры подвеса, становится нетрудно найти и возникающее ускорение. Упрощенное представление работы конденсаторного акселерометра МЭМС показано на рис. 3.
Для того чтобы измерить вибрацию вибрации проводов ВЛ в модуле дистанционной диагностики ВЛ необходимо применение микросхема МЭМС-акселерометра, которая представляет собой комбинированный инерциальный модуль, в состав которого входят 3D-акселерометр и 3D-гироскоп.
Данные, которые передаются от всех первичных преобразователей (датчиков) модуля дистанционной диагностики ВЛ, накапливаются в энергонезависимой памяти микропроцессорного модуля и далее направляются по каналу GPRS на сервер анализа и обработки данных.
Реализация функции измерения частичных разрядов на проводе ВЛ. Определение величины частичных разрядов на проводе производится путем замеров уровня электромагнитного излучения, образующегося при частичных разрядах. Поскольку электромагнитное излучение при таких разрядах имеет широкий спектр частот, то замеры осуществляются в сканирующем режиме. Процесс замеров ведется в диапазоне частот от 2 до 110 МГц.
Измерение производится посредством блока измерения частичных разрядов, структурная схема данного блока показана на рис. 4.
Блок замера частичных разрядов на проводе может быть реализован на базе микросхемы TDA7021 и может включать в себя следующие основные блоки:
1. Чувствительный элемент в виде антенны;
2. Приемник ВЧ-излучения (выполненный на базе микросхемы TDA7021);
3. Блок корректировки частоты;
4. Микроконтроллер.
Алгоритм работы блока измерения частичных разрядов приведен ниже.
Чувствительный элемент (антенна) воспринимает возникающие электромагнитные излучения, образующиеся во время частичных разрядах, и передает полученный ВЧ-сигнал на приемник ВЧ излучения.
Как указывалось выше, приемник ВЧ-излучения может быть реализован на базе микросхемы TDA7021, функциональная схема которой представлена на рис. 5.
Блок настройки частоты осуществляет управление работой приемника ВЧ-излучения.
Блок настройки частоты необходим для задания частоты, на которой приемник излучения ВЧ будет определять электромагнитное излучение. Блок представляет собой колебательный контур, с возможностью перестройки резонансной частоты. Регулирующим элементом в данном устройстве служит варикап. В следствии этого, резонансная частота колебательного контура увеличивается или уменьшается в зависимости от уровня напряжения, которое поступает на вход блока настройки частоты.
На аналоговом выходе микроконтроллера образуется сигнал периодически меняющегося напряжения, который поступает на вход блока настройки частоты. С учетом этого, резонансная частота контура способна меняться в диапазоне 2 - 110 МГц, а приемник ВЧ, в свою очередь, осуществляет сканирование радиоволн в данном диапазоне частот.
Аналоговый вход микроконтроллера реализуется на базе компаратора, который осуществляет постоянный контроль уровня сигнала, поступающего с приемника ВЧ излучения. В случае превышения сигналом на аналоговом входе установленного уровня, который соответствует порогу шумов в нормальном режиме работы, микроконтроллер сообщит о формировании и выдаче сообщения о наличии частичного разряда на проводнике.
Список литературы
1. Вишняков Л. Н., Кудряшов Ю. М., Литвинов П. В., Лондер М. И., Макоклюев Б. И., Попов С. Г., Тулинов Ю. В., Чирков С. А., Шадунц Ю. А., Шумилин В. Ф.14. О концеп-ции формирования Единой системы классификации и кодирования информации в электроэнергетической отрасли // Электрические станции. 2008. No 1.
2. Лондер М.И., Моржин Ю.И. Информационная модель ЕЭС на основе стандартов МЭК / Энергия единой сети № 1. 2014. С. 28-35.
3. Федоров В. Стандарты обмена данными в электроэнергетике / Открытые системы №9. 2005. [Электронный ресурс]. -URL: https://www.osp.щ/os/2005/09/380385("дата обращения:25.06.2020).
4. CIGRE WG D2.24 report, «EMS for the 21st Century-System Requirements» CIGRE Technical Brochure 452, CIGRE, Paris, 2011. 117 p.
5. Serviceenergy - комплекс средств дистанционной диагностики электросетевого оборудования с применением IOT технологий. Электронный ресурс. [Электронный ресурс]. -URL: https://serviceenergy.ru(дата обращения:25.06.2021).
Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, eists@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ершов Сергей Викторович, кандидат техн. наук, доцент, erschov.serrg@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Непомнящий Валерий Юрьевич, руководитель отдела, eists@rambler.ru, Россия, Тула, МРСК «Центра и Приволжья»,
Шарлай Александр Олегович, магистр eists@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STRUCTURE OF THE SYSTEM OF NON-DESTRUCTIVE CONTROL OF PARAMETERS OF HIGHVOLTAGE POWER LINES
V.M. Stepanov, V.Yu. Nepomnyashchy, S.V..Ershov, A.O. Sharlay
The article touches upon the issue of transportation of electricity _ from the power plant to consumers, which is one of the most important tasks of energy. The transmission of electricity is carried out mainly through overhead power transmission lines (transmission lines), which include cable lines and equipment_ for energy conversion and load matching. The efficiency and reliability of electric energy transportation depends on the state of the power supply networks. Non-destructive monitoring of overhead transmission lines makes it possible to solve many problems in this area.
Key words: Reliability of power supply, energy efficiency, monitoring of power lines.
Stepanov Vladimir Michailovich, doctor of technical science, professor, eists@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, erschov.serrg@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Valery Yurievich Nepomnyashchy, head of the department eists@rambler. ru, Russia, Tula, MRSK of Centre and Volga Region,
Sharlay Alexander Olegovich, magister, eists@,rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
