СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ПО ЛИНИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ГОЛОЛЕДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПРОВОДАХ Российский патент 2003 года по МПК H04B3/54 H02J13/00 H02G7/16 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для обнаружения и регистрации гололедных нагрузок на проводах линий электропередачи, диагностики гололедной обстановки в регионе с использованием каналов телемеханики и связи.

Известна система передачи сигналов о гололеде на проводах группы линий электропередачи, содержащая датчики (сигнализаторы) гололеда, основанная на синхронизации датчиков гололеда, формировании сигнала о гололеде, передаче сигнала, фиксировании его и выборе линий для плавки гололеда (а.с. 1181035, кл Н 02 G7/16, 1985 г.).

Недостатком данной системы является то, что процессы формирования сигнала (всего одно значение) и его передачи сложны и дорогостоящи, а контроль за динамикой процесса гололедообразования не обеспечивается.

Известно [Костенко М. В. , Перельман Л.С., Шимко Г.И. Методика расчета параметров волновых каналов воздушных многопроводных линий с приближенным учетом гололедых образований на проводах. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1969, 1], что увеличение затухания ВЧ-сигнала, передаваемого по линейному тракту линии электропередачи, обусловлено диэлектрическими потерями в слое покрытия провода, так как электромагнитная волна распространяется между проводами. Наибольшая концентрация энергии имеет место вблизи поверхности проводов. Если поверхность провода покрыта гололедным образованием, то электромагнитная волна распространяется в несовершенном диэлектрике и часть энергии этой волны идет на нагрев гололедного покрытия. Наибольшие потери вносит чистый лед, так как он образует плотное покрытие. Прирост затухания Δa_гол, вызванный гололедным покрытием, зависит от толщины стенки покрытия d_л и длины участка обледенения l_гол (в случае измерения значений затухания ВЧ-сигнала в дВ изменяется коэффициент в формуле 1):

где f - частота, кГц;
р - число проводов расщепленной фазы;
относительная диэлектрическая проницаемость льда;
tgδ_л - тангенс угла диэлектрических потерь льда;
z_В - волновое сопротивление, эквивалентное симметричной линии, Ом;
r₀ - радиус провода; d_л - толщина стенки гололеда;
l_гол - длина участка линии, покрытого гололедом, км.

В реальных условиях эта формула не работает, потому что d_л, как известно, только условно можно считать диаметром, по значению которого принимают решение о плавке гололеда, нельзя определить однозначно, т.к. l_гол - величина переменная, различны для изморози, льда и снега. Даже для условий расщепленной фазы, где взаимные параметры проводов расщепленной фазы более или менее однородны при фиксированной длине l_гол, остаются неопределенными еще как минимум два параметра
В каналах связи "фаза-земля" неопределенность вычисления d_л еще более увеличивается. "На длинных линиях электропередачи, на которых длина участка с гололедом меньше всей длины линии, невозможно определить толщину образовавшегося гололеда (то есть нагрузку на провода), так как одинаковое приращение емкости на землю будет иметь место в двух ситуациях: при большой толщине гололеда и малой его длине, а также при малой толщине гололеда и соответственно большей длине линий с гололедом" [а.с. 1083276, Н 02 G 7/16, 1984 г.].

Наиболее близкой по техническому уровню и достигаемому результату является система передачи сигналов по линии электроснабжения для обнаружения гололедных отложений на проводах (патент РФ 2129334, 6 Н 04 В 3/54,1999 г.), взятая за прототип.

Система содержит блок управления передачей, выполненный в виде генератора ВЧ-частоты, соединенного через фильтр присоединения и конденсатор связи к линии электропередачи и блок управления приемом, содержащий блок сигнализации, соединенный через фильтр присоединения и конденсатор связи к линии электропередачи, соединенный с измерительными блоками, связанными с параметрическими датчиками предельной гололедной нагрузки через регуляторы настройки, получают сигнал, промодулированный за счет изменения параметров одного из измерительных блоков посредством срабатывания параметрического датчика предельной нагрузки, по которому фиксируют предельную гололедную нагрузку на данной линии электропередачи.

Недостатком данной системы передачи сигналов по линии электроснабжения для обнаружения гололедных отложений на проводах является то, что сформированный сигнал о предельных гололедных отложениях полностью не расшифровывается, поэтому теряется очень ценная информация о динамике гололедообразования, в том числе и в заданных конкретных точках.

Известные системы передачи сигналов по линии электроснабжения о гололедных отложениях имеют невысокий технический уровень, т.к. формируют и передают сигналы лишь об одном или нескольких значениях гололедных отложений на проводах в заданных точках, что недостаточно при накатном гололеде, когда необходимо дополнительно знать тенденцию (динамику) развития гололедной ситуации по всей линии электропередачи для эффективного использования средств плавки гололеда, для удаления опасных (аварийных) отложений гололеда на всех линиях электропередачи.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой системы передачи сигнала о гололедных отложениях на линиях электропередачи, включающей новую структуру формирования сигнала на линии электропередачи за счет модуляции удаленного от объектов контроля носителя информации в пространственно-распределенном датчике и датчиках предельных нагрузок, размещенных в заданных точках вдоль линии электропередачи. Это позволяет исключить источники питания на объектах контроля и формировать сигналы о гололедных отложениях на пассивных элементах и создать систему контроля динамики гололедных отложений на всей линии электропередачи по изменению затухания ВЧ-сигнала и определения фиксированных значений гололедных отложений в заданных точках по максимальным значениям затухания ВЧ-сигнала. Предложена принципиально новая схема передачи сигналов в виде одного ВЧ-канала связи на каждой линии электропередачи, сигналы которых модулируются как по всей длине линии электропередачи, определяя качественное измерение динамики процесса гололедообразования, так и в измерительных блоках, размещенных вдоль линии электропередачи в заданных точках, определяя абсолютные значения гололедных нагрузок в них.

Техническим результатом является создание системы, не требующей источников питания для датчиков и использующей пассивное формирование сигналов для качественной и количественной оценки необходимых характеристик процесса гололедообразования на всех проводах энергосистемы в заданном регионе (отсутствие и начало гололедообразования, предельные гололедные нагрузки на опоры, динамика направлений развития гололедообразования на проводах в регионе, результаты плавки), обязательных для успешной борьбы с гололедом, тем самым значительно упрощается вся аппаратура контроля процессов гололедообразования, что позволяет существенно снизить ее себестоимость и повысить эксплуатационные характеристики ЛЭП.

Указанный технический результат достигается тем, что система передачи сигнала по линии электроснабжения для обнаружения гололедных отложений на проводах, содержащая блок управления передачей, выполненный в виде генератора высокой частоты, связанного через фильтр присоединения и конденсатор связи с фазным проводом линии электропередачи и блок управления приемом, содержащий блок сигнализации, связанный через фильтр присоединения и конденсатор связи с фазным проводом линии электропередачи, соединенный с измерительными блоками, связанными с датчиками предельной гололедной нагрузки линии электропередачи, в которой фазный провод использован в качестве пространственно-распределенного датчика гололедных нагрузок, на который поступают являющиеся носителями информации сигналы вышеуказанных генераторов высокой частоты, блоки управления приемом получают высокочастотные сигналы от указанного пространственно-распределенного датчика гололедных нагрузок, модулируемые гололедной нагрузкой, который определяет изменения гололедных отложений по всей длине линии электропередачи, причем значение предельных гололедных нагрузок в заданных точках определяют по максимальному изменению этого же высокочастотного сигнала, промодулированного за счет изменения параметров одного из измерительных блоков посредством регулятора настройки при срабатывании датчика предельной гололедной нагрузки, а выходы блоков управления приемом соединены с контролируемыми пунктами системы телемеханики, сигналы с которых поступают на диспетчерский пункт, по которым судят о гололедной ситуации в регионе.

Сущность создания новой системы передачи сигнала по линии электроснабжения для обнаружения гололедных отложений на проводах заключается в том, что в линию электропередачи подается высокочастотный носитель информации, который поступает на пространственно-распределенный датчик и измерительные блоки, связанные с датчиками предельных нагрузок, модулируется ими без использования источников питания, фиксируя как динамику (качественные изменения) процессов гололедообразования, так и абсолютное значение гололедных нагрузок на заданные опоры, что позволяет эффективно бороться и с накатным гололедом, существенно сократив расходы на контроль гололедной обстановки на ЛЭП в регионе.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не установлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого решения по совокупности признаков позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизны" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательного уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена блок-схема системы передачи сигналов по линии электроснабжения для обнаружения гололедных отложений на проводах, на фиг.2 - временные диаграммы работы системы в режимах: а) отсутствия предельных нагрузок на проводах; б) наличие одного предельного значения нагрузки на проводах; в) наличия двух предельных значений нагрузки на проводах.

Система передачи сигнала по линии электроснабжения для обнаружения гололедных отложений на проводах содержит: блоки управления передачей сигналов, выполненных в виде генераторов на заданную высокую частоту 1, каждый из которых через фильтр присоединения 2 и конденсатор связи 3 подсоединен к линии электропередачи 4 и пространственно-распределенному датчику гололедных отложений 4'; блоки управления приемом 5, содержащие сигнализаторы, каждый из которых с одной стороны через фильтр присоединения 2 и конденсатор связи 3 подсоединен к линии электропередачи 4 и пространственно-распределенному датчику гололедных отложений 4', а с другой стороны соединен с аппаратурой контролируемого пункта 6 системы телемеханики. Вдоль линии электропередачи в наиболее гололедных местах размещены измерительные блоки 7, связанные через регуляторы настройки 8 с датчиками предельных гололедных нагрузок 9. Для уменьшения затухания высокочастотного сигнала линии электропередачи снабжены высокочастотными заградителями 10. П/с означает подстанция, т.е. место, где размещается аппаратура системы.

Каждый генератор на заданную высокую частоту 1 совместно с фильтром присоединения 2 и конденсатором связи 3 обеспечивают формирование носителя информации. Каждый носитель информации поступает в пространственно-распределенный датчик гололедных отложений 4', представляющий собой фазный провод между точками подсоединения конденсаторов связи 3 блоков управления передачей и приемом, модулирующий носитель за счет изменения параметров контролируемого фазного провода под действием гололедных отложений и измерительные блоки 7, представляющие собой электрическую нагрузку для высокочастотного канала, значение которой дискретно и максимально меняется под действием регулятора настройки 8 при срабатывании датчиков предельной нагрузки 9.

Каждый блок управления приемом 5 с фильтром присоединения 2 и с конденсатором связи 3 на входе и контролируемым пунктом 6 системы телемеханики на выходе образуют приемную часть высокочастотного носителя информации, модулируемого непрерывно по всей длине пространственно-распределенного датчика 4' текущим изменением его параметров под действием гололедных отложений, так и дискретно и максимально в заданных точках измерительными блоками 7 через регуляторы настройки 8 при срабатывании датчиков предельных нагрузок 9. С контролируемых пунктов 6 системы телемеханики сигналы поступают на диспетчерский пункт (не показано), где и принимаются все решения о борьбе с гололедом.

На временных диаграммах (фиг.2а; фиг.2б; фиг.2в), описывающих основные режимы работы, введены следующие обозначения: U₁, U_i, U_N - амплитуды напряжений ВЧ-сигналов, фиксируемые приемными устройствами 5 при отсутствии гололеда на 1, i, N линиях электропередачи; ΔU₁, ΔU_i, ΔU_N - шаг дискретизации сигналов по уровню, выбранный соответственно приемными устройствами 5 в 1^й, i^й и N^й основные ситуации на линии электропередачи; mΔU_i, kΔU_N - перепад уровней сигналов, сформированный измерительными блоками 7, через регуляторы 8 датчиками предельных отложений 9, когда диаметр гололедных муфт достиг значений, требующих их плавки; lΔU_N - перепад уровней сигналов, сформированный измерительными блоками 7, через регуляторы 8, датчиками предельных гололедных отложений 9, когда диаметр гололедной муфты приблизился к критической величине на N-й линии электропередачи; t₀, t₁,..., t₉,..., t_k, t_k+1 - моменты отсчета уровней сигналов с линий электропередачи; tn - момент начала плавки; (m, k, l - целые числа больше 1).

Работа системы осуществляется следующим образом.

В режиме 1 - исходное состояние системы, - имеющей N ситуаций на линии электропередачи, - гололед отсутствует (фиг1, фиг2а, период времени t₀-t₇) генератор заданной высокой частоты 1 через фильтр присоединения 2 и конденсатор связи 3 выдает в линию электропередачи 4 высокочастотные колебания, являющийся носителем информации, мощностью, достаточной для устойчивого режима работы блока управления приемом 5. ВЧ-колебание поступает с линии электропередачи 4 через конденсатор связи 3 и фильтр присоединения 2 к блоку управления приемом 5. При этом параметры пространственно-распределенного датчика 4' в этом режиме не влияют на носитель информации и датчики предельных гололедных нагрузок 9 через регуляторы настройки 8, не меняют параметров измерительных блоков 7, электрическое сопротивление которых остается очень высоким и не влияет на амплитуду носителя информации, фиксируемую блоком управления приемом 5.

В режиме 2 - начало гололедообразования - (фиг.1, фиг.2а, период времени t₈-t₉) передающая и приемные части системы включены, датчики предельных значений еще не работают (недостаточная толщина гололедных отложений), пространственно-распределенный датчик 4' под действием гололедных отложений начинает модулировать амплитуду носителя информации (см. момент времени t₇, фиг. 2а), что и фиксируется в момент времени t₈ блоком управления и передается на диспетчерский пункт. При этом шаг дискретизации по времени определяется исходя из чувствительности блока управления приемом 5. Процессы начала гололедообразования показаны и на фиг.2б и фиг.2в в момент времени t₀.

В режиме 3 - фиксации 1-й предельной нагрузки, когда величина гололедной муфты требует плавки (фиг.1, фиг.2б), в отличие от режима 2, срабатывает датчик предельной гололедной нагрузки 9 и через регулятор настройки 8 максимально изменяет параметры измерительного блока 7 и соответственно амплитуду ВЧ-сигнала носителя на mΔU₁, что фиксируется в момент времени t₃ блоком управления приемом 5 и через контролируемый пункт 6 системы телемеханики передается на диспетчерский пункт, где принимается решение о схеме и времени плавки как по каждой линии, так и по всей системе (аналогичный режим показан и на фиг.2в, фиксируемый в момент времени t₃). Дается команда "гололед", и все службы борьбы с гололедом оповещаются, т.к. определилась одна или несколько линий электропередачи, в энергосистеме которой начался процесс гололедообразования.

В режиме 4 - гололедные отложения на проводах не достигли аварийной величины; (фиг. 1, фиг2в, интервалы времени t₄-t₈; фиг.1, фиг.2б, интервалы времени t₃-t₄) как и в режиме 3 включены два типа датчиков: пространственно-распределенный 4' и предельных гололедных нагрузок 9. Датчики предельных гололедных нагрузок 9 уже не меняют амплитуды носителя, а пространственно-распределенный датчик 4' уменьшает ее. Здесь возможны два пути развития процесса гололедообразования: первый (фиг.2б, интервалы времени t₃-t₉) характеризуется тем, что процесс гололедообразования завершился; (интервалы времени t₅-t₉); второй (фиг. 2в, интервалы времени t₄-t₈) характеризуется тем, что процесс гололедообразования возрастает, о чем говорит уменьшение амплитуды сигнала, что и фиксируется блоком управления приемом 5 и поступает на диспетчерский пункт.

В обоих случаях эта информация является необходимой для коррекции программы борьбы с гололедом в заданном регионе по всей системе.

В режиме 5 фиксаций 2-й предельной нагрузки, когда гололедная муфта достигает аварийных размеров в заданной точке (фиг.1, фиг.2в, момент времени t₈), в отличие от режима 4 датчик предельной гололедной нагрузки 9 срабатывает и модулирует носитель информации, обеспечивая через регулятор настройки 8 и измерительный блок 7 изменение амплитуды сигнала на lΔU_N, что и фиксируется приемным устройством и на диспетчерском пункте, где и принимают соответствующие меры по этой линии электропередачи и всей системе.

В режиме 6 - плавка гололеда; (фиг.1, фиг2а, фиг2б, фиг.2в, моменты времени t_п-t_k), можно проследить процесс освобождения линий электропередачи от гололедных отложений (см. пунктирные кривые в момент времени t_п-t_k) и оценить качество плавки. Если в момент окончания плавки t_k c амплитуда сигнала носителя информации приближается к исходной, то плавка произведена качественно (фиг. 2, момент времени t_k-t_k+1). Отсутствие сигнала говорит об обрыве (пережоге) провода, а низкая амплитуда - о наличии гололедных отложений на проводах на линии электроснабжения.

Таким образом, вышеизложенное свидетельство о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- система передачи сигнала по линии электроснабжения для обнаружения гололедных отложений на проводах, воплощающая заявленное изобретение при его осуществлении, предназначена для обнаружения и регистрации гололедных нагрузок и диагностики гололедной обстановки на линии электропередачи и обеспечение новой структуры формирования сигналов за счет модуляции удаленного от каждого объекта контроля носителя информации по всей длине линии и в измерительных блоках, что позволяет оптимизировать процесс плавки гололеда на линиях электропередачи энергосистемы;
- для заявленного изобретения, в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждено его осуществление в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;
- система передачи сигнала, воплощающая заявленное изобретение при его осуществлении, способна обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Использование: в электроэнергетике для диагностики гололедной обстановки в регионе с использованием каналов телемеханики и связи. Устройство содержит блок управления передачей, выполненный в виде генератора ВЧ-частоты, подсоединенного через фильтр присоединения и конденсатор связи к линии электропередачи. Блок управления приемом содержит блок сигнализации, соединенный через фильтр присоединения и конденсатор связи с линией электропередачи и с измерительными блоками, связанными с датчиками предельной гололедной нагрузки. Сигналы с генераторов заданной ВЧ-частоты блоков управления передачей являются носителями информации и поступают на пространственно-распределенный датчик и измерительные блоки, связанные с датчиками предельных гололедных нагрузок через регуляторы настройки. Блоки управления приемом связаны с пространственно-распределенным датчиком, представляющим собой фазный провод линии электропередачи между точками подсоединения к нему конденсаторов связи передатчика и приемника. ВЧ-сигнал от пространственно-распределенного датчика, модулируемый изменением параметров фазного провода от гололедной нагрузки, определяет изменения гололедных отложений по всей линии электропередачи. Значение предельных гололедных нагрузок в заданных точках линии электропередачи определяют по максимальному изменению этого же ВЧ-сигнала, промодулированного за счет изменения параметров одного из измерительных блоков посредством регулятора настройки при срабатывании датчика предельной гололедной нагрузки. Техническим результатом является упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик. 2 ил.

Система передачи сигнала по линии электроснабжения для обнаружения гололедных отложений на проводах, содержащая блок управления передачей, выполненный в виде генератора высокой частоты, связанного через фильтр присоединения и конденсатор связи с фазным проводом линии электропередачи, и блок управления приемом, содержащий блок сигнализации, связанный через фильтр присоединения и конденсатор связи с фазным проводом линии электропередачи, соединенный с измерительными блоками, связанными с датчиками предельной гололедной нагрузки линии электропередачи, отличающаяся тем, что фазный провод использован в качестве пространственно-распределенного датчика гололедных нагрузок, на который поступают являющиеся носителями информации сигналы вышеуказанных генераторов высокой частоты, блоки управления приемом получают высокочастотные сигналы от указанного пространственно-распределенного датчика гололедных нагрузок, модулируемые гололедной нагрузкой, который определяет изменения гололедных отложений по всей длине линии электропередачи, причем значения предельных гололедных нагрузок в заданных точках определяют по максимальному изменению этого же высокочастотного сигнала, промодулированного за счет изменения параметров одного из измерительных блоков посредством регулятора настройки при срабатывании датчика предельной гололедной нагрузки, а выходы блоков управления приемом соединены с контролируемыми пунктами системы телемеханики, сигналы с которых поступают на диспетчерский пункт, по которым судят о гололедной ситуации в регионе.