СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2005 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к области контроля целостности протяженных линий электропитания распределенной параллельной или параллельно-последовательной нагрузки, например, линий электроосвещения городов и предприятий, и может быть использовано в том числе для определения участков обрывов силовых линий электропитания, расположенных между элементами нагрузки (например, приборами освещения).

Известен способ определения места повреждения кабелей линий электропередачи и связи по заявке №2001134258, кл. G 01 R 31/00, состоящий в том, что на вход объекта измерения воздействуют зондирующими импульсами, принимают отраженные импульсы, подвергают их усилению по закону, обратному закону затухания импульсов, фиксируют время прихода импульса, отраженного от места повреждения или конца линии, и определяют расстояние до места повреждения или до конца линии по интервалу времени между моментом зондирования и моментом прихода отраженного импульса.

Недостаток данного способа определения места повреждения кабелей линий электропередачи состоит в значительной сложности процесса определения участка обрыва цепи дистанционного питания и высокой стоимости устройства, реализующего данный способ.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому способу является способ локализации участка обрыва цепи дистанционного питания по патенту №2136106 кл. Н 04 В 3/46, Н 04 В3/46, применяемый при контроле целостности линий дистанционного электропитания систем связи.

Способ заключается в измерении в точке подключения линии мгновенных значений электрического тока в двух режимах прохождения тока: при прямом и обратном подключении источника стабилизированного электропитания (для исключения вредного влияния паразитных токов утечек), определении разности этих токов, расчете относительного значения (К) разности токов по отношению к току через нагрузку, пропущенному при напряжении источника контроля в полярности, обратной полярности напряжения дистанционного питания. Вывод о номере участка обрыва линии делается на основании полученного значения относительной величины К.

Недостатком рассматриваемого способа является тот факт, что данный способ применим для контроля одной линии связи с последовательным подключением «приемников тока», в то время как силовые линии с распределенной нагрузкой, например линии электроосвещения, имеют в основном параллельную, а не последовательную нагрузку. Кроме того, для тестирования линии в соответствии с указанным способом ее необходимо отключать от источника напряжения, подключать к источнику стабилизированного постоянного напряжения, использовать при этом дополнительную коммутационную и измерительную аппаратуру, устанавливаемую в каждую линию,

Реализация способа по патенту №2136106 при контроле целостности, например, силовых линий освещения затрудняется также тем, что наличие нескольких линий освещения, подключенных к пункту включения (ПВ) (в реализованных проектах систем освещения городов их количество обычно составляет 5-7 линий) приводит к существенному удорожанию оборудования в целом, поскольку дополнительное измерительное коммутационное оборудование требуется устанавливать в начале каждой линии электропитания.

Задачей изобретения является обеспечение контроля целостности нескольких линий электропитания распределенной параллельной или параллельно-последовательной нагрузки при наличии единственного измерителя.

Предлагается способ контроля целостности силовых линий электропитания распределенной нагрузки, состоящий в периодическом измерении в узловых пунктах распределения электроэнергии мгновенной мощности, определении по изменениям уровней мощности факта изменения нагрузки как следствия обрыва силовых линий и идентификации участка обрыва линий электропитания. (Под участком линии электропитания понимается часть силовой линии между соседними точками подключения параллельной нагрузки).

Изменение уровней мощности может фиксироваться как для активной, так и для реактивной составляющих мощности.

Применительно к электроцепям освещения, например линиям освещения городов или предприятий, важно с достаточной степенью оперативности определять факт нарушения целостности линий электроосвещения (обрыв линий), а также участок между элементами распределенной нагрузки (приборами освещения), где произошел обрыв.

С другой стороны, обрыв является редко встречающейся неисправностью для отдельной линии. При большом числе таких линий это обстоятельство накладывает дополнительные ограничения на допустимую стоимость систем контроля целостности каждой линии.

При раскрытии существа изобретения в дальнейшем будут рассматриваться системы автоматизированного управления освещением городов и предприятий, силовые линии в которых можно рассматривать как типичные примеры протяженных линий электропитания с распределенной параллельной нагрузкой активно-реактивного характера.

В стандартных проектах осветительных систем городов линии освещения подключаются к ПВ, являющимися узлами осветительной сети. По принципу управления и контроля освещения ПВ разделяются на головные ПВ (ГПВ) и каскадные. К каждому ПВ может быть подключено несколько линий освещения.

Линии освещения имеют разную протяженность, достигающую 2 и более километров, а светильники устанавливаются через каждые 30-70 м.

Для включения режимов освещения каждый ПВ от диспетчерского пункта (ДП) управляется по каналам связи непосредственно (ГПВ) или транзитом через другие ПВ, т.е. каскадно.

С ДП осуществляется, в частности, контроль состояния ПВ и линий освещения (патент №2037937, кл. Н 02 J 13/00).

Обобщенная схема системы управления освещением имеет вид, представленный на фиг.1, где С - счетчики электроэнергии.

Каскадные ПВ освещения объединяются в последовательный шлейф через силовые линии, к которым также подключается распределенная нагрузка. По этим же силовым линиям осуществляется связь между каскадами.

Линию освещения можно рассматривать как линию электропитания распределенных вдоль нее потребителей электроэнергии (приборов освещения), обладающих качествами активной или активно-реактивной нагрузки.

В соответствии с предлагаемым способом поиск участков обрыва линий электропитания распределенной нагрузки может осуществляться отдельно при учете активной составляющей мощности; при учете ее реактивной составляющей, а также при одновременном или последовательном учете обеих составляющих мощности.

Применение способа при отдельном учете и анализе любой из составляющих мощности является базовым вариантом способа.

При последовательном учете имеет место последовательное двукратное применение базового варианта предлагаемого способа.

При одновременном учете составляющих мощности одновременно анализируется пара измеренных компонент мощности.

Исходной информацией для анализа могут являться сигналы, пропорциональные как уровням мощностей, отдаваемым в силовые линии до и после обрыва участков этих линий, так и сигналы, пропорциональные скачкам мощностей, возникающим при обрывах линий. При этом существо рассматриваемого способа не меняется.

Скачки мощности определяются как разности мощностей, потребляемых в моменты времени до изменения электрической нагрузки и после ее изменения.

В соответствии с предлагаемым способом уровни мощности запоминаются и анализируются. Аналогичный анализ возможен и для скачков уровней мощности нагрузки.

Уровни или скачки мощности, возникающие из-за изменения нагрузки в результате обрыва линий, выхода нагрузки из строя или ее отключения, сравниваются с заранее определенными значениями. Сравнение измеренных уровней или скачков мощности с заранее рассчитанными (т. е. модельными) или определенными опытным путем значениями, представленными, например, в виде таблицы, позволяет при достаточной чувствительности измерителя мощности и достаточном объеме заранее определенного множества вариантов скачков или уровней составляющих мощностей, вызванных обрывом (отключением нагрузки) в сочетании с обрывами участков силовых линий, выделить среди них скачки или уровни, вызванные обрывом участков линий и определить номер участка.

Основанием для идентификации участка обрыва является совпадение измеренных и модельных или определенных опытным путем уровней или скачков мощности, соответствующее заранее установленным допускам для компонент мощности.

Технический результат, который может быть получен при технической реализации предлагаемого способа, выражается в упрощении процесса локализации участка обрыва силовых линий электропитания распределенной параллельной или параллельно-последовательной нагрузки за счет использования единственного измерителя мощности нескольких линий с электрической нагрузкой.

Простота достижения искомого результата по выявлению факта обрыва линий и идентификации участка обрыва определяется относительной технической простотой операций измерения в узле распределения электропитания активной и реактивной мощности, а также простотой операций последовательного сравнения измеренных величин с заранее определенными значениями, что в случае совпадения значений (с заданным допуском) дает техническую возможность идентифицировать неисправность типа «обрыв линии» и определить номер участка обрыва.

Для реализации предлагаемого способа в существующих автоматизированных системах питания распределенной нагрузки, например системах автоматизированного управления наружным освещением, имеющих в узлах распределения электроэнергии средства контроля и управления работой автоматики ПВ, подключенные к автоматизированной аппаратуре связи с ДП, дополнительно устанавливаются на подводимых силовых линиях измерители активной, реактивной или активной и реактивной мощности.

Измерители активной и реактивной мощности могут быть реализованы, например, в соответствии со способом определения составляющих мощности (патент №2191393, кл. G 01 К 21/06).

Для реализации предлагаемого способа данные с измерителя активной мощности могут передаваться на сравнивающее и анализирующее устройство, например контроллер ПВ (Официальный сайт предприятия ОАО "Научно-исследовательский институт точной механики" - http://www.niitm.spb.ru, раздел: АСУ наружным освещением), для сравнения с результатами тестовых измерений или модельными выходными данными математических моделей силовых линий, питающих распределенную нагрузку (приборы освещения).

Результаты тестовых измерений или модельные выходные данные, представленные в виде упорядоченных наборов данных, например в виде таблиц, могут в свою очередь рассматриваться как математические модели обрывов силовых линий.

Табличные модели могут быть реализованы в виде зафиксированного в памяти контроллера ПВ или вычислительного устройства ДП перечня значений (таблиц) уровней или скачков электрических мощностей, возникающих при изменении нагрузки, и связанных с этими скачками или вновь установившимися уровнями номеров участков обрыва в силовых линиях.

Такие математические модели могут быть программно реализованы, например, непосредственно в контроллере ПВ. Возможна также их реализация в вычислительной аппаратуре ДП, куда данные с измерителя мощности могут быть переданы по существующему каналу связи.

Пример представления упорядоченного перечня скачков одной из компоненты электрических мощностей для варианта подключения к узлу (ПВ) двух силовых линий может быть представлен в виде таблицы.

Таблица
Значения скачков электрических мощностей, возникающих при обрыве линий на участках между подключениями распределенной нагрузки, и связанных с этими скачками идентификаторов (номеров) участков обрыва в силовых линиях№ силовой линии№ (идентификатор) участка обрываΔPaΔPp11ΔPa₁ΔPp₁2ΔPa₂ΔPp₂3ΔPa₃ΔPp₃...  КΔPa_kΔPp_k2K+1ΔPa_k+1ΔPp_k+1K+2ΔPa_k+2ΔPp_k+2K+3ΔPa_k+3ΔPp_k+3...  KΔPa_k+nΔPp_k+n

Содержание предлагаемого способа не меняется, если вместо скачков использовать (измерять и анализировать) значения уровней составляющих мощности.

Способ не меняется по существу, если для выявления участка обрыва сравнивать как отдельные компоненты измеренного и модельного векторов полных мощностей, так и соответствующие пары компонент векторов полных мощностей.

Участки силовых линий с одинаковым числом элементов нагрузки, относящиеся к разным линиям, имеют отличия по потребляемой мощности. Эти отличия определяются разницей в длине линий, электрическом сопротивлении проводов, характеристиками и количеством реактивных элементов, установленных по линии в соответствии с технологией ее использования, а также распределенным по участкам реактивным характеристикам самой линии (индуктивностям, емкостям участков между точками подключения распределенной нагрузки, их соотношением по линии), в совокупности приводящей к несимметричности мощностных признаков обрыва линий питания с распределенной нагрузкой.

Изменения в показаниях измерителя активной и реактивной мощности зависят от положения места (т.е. участка) обрыва среди всех силовых питающих нагрузку линий, отходящих от узла распределения энергии. Это позволяет по показаниям единственного измерителя мощности идентифицировать участки обрыва в разных силовых линиях, подключенных к узлу распределения электропитания (ПВ).

С целью определения места (участка) обрыва линий для анализа могут использоваться, как данные об уровнях активной и реактивной составляющих мощности, потребляемой оставшейся после обрыва линии нагрузкой, так и мгновенные изменения составляющих, т.е. «скачки» мощности.

Если различия между скачками или уровнями мощности превосходят погрешность измерения мощности, то участок обрыва однозначно идентифицируется, независимо от того, в какой из подключенных к узлу распределения питания силовой линии он расположен.

Применительно к данным, приведенным в таблице, это означает, что скачки или уровни мощности, возникающие из-за обрывов линий с распределенной нагрузкой в разных местах, идентифицируют участок обрыва, если они различаются между собой на достаточную величину, определяемую исключительно точностью измерителя мощности.

В случае сравнения векторных величин мощности указанное условие характеризуется следующей системой неравенств:

,

где - векторная величина, причем ,

ΔPa_k, ΔPp_k - активная и реактивная компоненты вектора скачка мощности, которые вычисляются как разность между уровнями мощности в номинальном и аварийном режимах.

В противном случае, т.е. при неразличимости указанных векторов, могут возникать множественные варианты идентификации разрывов силовых линий, которые также являются информативными в смысле поиска неисправностей в линиях, поскольку уменьшают множество возможных вариантов обрыва, ограничивая область поиска иными средствами.

Процесс определения участка обрыва запускается в случае, когда измеренный скачок мощности превышает мощность минимального элемента распределенной нагрузки. Свойством процедуры идентификации участка обрыва, позволяющим отличить обрыв линии электропитания от отказов элементов нагрузки, является одномоментность («скачкообразность») изменения одной из компонент мощности на величину, превосходящую скачок компоненты мощности при отказе (обрыве) минимального элемента нагрузки. Указанное свойство наиболее четко проявляется при примерно одинаковых параметрах отдельных элементов распределенной нагрузки, как это обычно имеет место в линиях освещения.

Таким образом, при реализации рассматриваемого способа, на основе сравнения модельных или определенных при тестовых испытаниях мощностей с измеренными данными о мощностях в силовых линиях, путем сравнения измеренных и табличных величин находится максимально приближенное соответствие измеренного значения мощности к аналогичному параметру табличной математической модели.

При обнаружении допустимого приближенного соответствия программа сравнения указанных данных, реализованная в устройстве сравнения и анализа (например, на контроллере ПВ или на компьютере ДП, в случае передачи на ДП данных по каналам связи), формирует сигнал, содержащий извещение об обнаруженном совпадении.

Проиллюстрировать процесс поиска таких параметров можно с использованием графика, представленного на фиг.2.

На графике по оси ординат (δР) откладываются значения разности уровней измеренной мощности и мощности в модельных ситуациях обрывов линий.

Если для анализа используются уровни мощности, то , где Р_i ^м - компонента модельного уровня мощности при модельном обрыве на i-м участке; Р^ав - компонента измеренного уровня мощности после обрыва линии.

В случае, если запоминаются скачки мощности, то , где ΔР_i ^м - компонента модельного скачка мощности при модельном обрыве на i-м участке; ΔР^ав - компонента измеренного скачка мощности после обрыва линии. Символ m указывает на идентификатор (номер) силовой линии.

По оси абсцисс откладываются номера реальных участков между элементами нагрузки (светильниками), где возможен обрыв линии освещения.

Априорно уровень мощности, отдаваемой в нагрузку при разных вариантах обрыва линий, отходящих от ПВ, может быть заранее определен и занесен в память контроллера на ПВ или компьютера на ЦДЛ.

В математическом смысле задача поиска участка линии, где произошел обрыв, сводиться к поиску глобального минимума у многоэкстремальной ступенчатой функции δP(k) (фиг.2), где m - идентификатор (номер) линии электропитания.

Из графика видно, что обрыв произошел на i-м участке m-й линии.

Исходной величиной для проведения сравнительного анализа с целью определения участка обрыва силовой линии является значение уровня (или скачка) мощности, отдаваемой в нагрузку, после обнаружения изменения мощности.

Если при переборе модельных вариантов обрыва обнаружится глобальный минимум величины δР и он не будет превышать допустимую погрешность, то это позволяет идентифицировать неисправность как обрыв линии и определить конкретный участок обрыва.

Нормировка оси 0Х, т.е. формирование регулярной последовательности номеров участков силовых линий или присвоение им неповторяемых названий, иным образом однозначно идентифицирующих участки между подключениями нагрузки, определяется при технической реализации рассматриваемого способа. Пример возможной нормировки участков при двух силовых линиях, отходящих от узлового ПВ электропитания, представлен на фиг.3.

Устройство, изображенное на фиг.3, содержит узловой ПВ электропитания 1 и подключенные к нему через две линии элементы распределенной нагрузки 2. На отрезках силовых линий между подключениями элементов нагрузки участками электропитания может произойти обрыв линий электропитания. Отрезки силовых линий, где произошел обрыв, называются участками обрыва. Фигурными скобками отмечены возможные участки обрыва силовых линий и приведены их номера,

где К - количество элементов электропитания в первой линии;

n - количество элементов электропитания во второй линии;

Если совпадений модельных и измеренных данных, выявленных на основании анализа одной из компонент мощности, несколько, то в соответствии с рассматриваемым способом осуществляется их фильтрация по данным об уровне (скачке) другой компоненты мощности. Например, после определения вариантов обрыва, отфильтрованных по активной мощности, среди них, но уже по данным об изменениях реактивной мощности, может проводиться аналогичный поиск возможных вариантов обрыва. Максимальное совпадение данных при повторном анализе позволяет уменьшить число вариантов или точно идентифицировать участок обрыва линий электропитания распределенной параллельной нагрузки.

Максимальное совпадение векторных величин может характеризовать, например, норма вектора их разности. Можно также максимальное совпадение определять по одной компоненте, априорно принятой в качестве основной компоненты вектора 8Р.

Если глобальный минимум функции на фиг.2 имеет достаточно выраженный характер и отличается от 0 на допустимую величину, то фильтрацию результата можно остановить после первого этапа анализа модельных и измеренных данных, а номер участка, соответствующего этому минимуму, считать номером участка обрыва силовой линии электропитания.

При исходной штатной работе системы электропитания и при первом появлении скачка мощности существует относительно небольшой набор вариантов обрыва линий электропитания, возможных только между соседними по линии элементами нагрузки (приборами освещения). В этом случае задача выявления участка обрыва может быть решена непосредственно в котроллере ПВ путем полного перебора вариантов.

При поиске обрывов в условиях отказов элементов нагрузки и наличии обрывов в нескольких линиях размерность задачи существенно возрастает. Это выражается в увеличении числа модельных табличных значений уровней или скачков мощности, соответствующих состояниям сети при наличии множественных обрывов и отказах (отключениях) элементов нагрузки. В таком случае для реализации рассматриваемого способа контроля целостности линий электропитания решение задачи поиска участка обрыва возможно не в контроллере ПВ, а на более мощном вычислительном устройстве ДП.

Способ предназначен для контроля целостности протяженных линий электропитания распределенной параллельной или параллельно-последовательной нагрузки, например линий электроосвещения городов и предприятий. Для определения факта обрыва линий электропитания и определения участка обрыва осуществляется последовательное сравнение измеренной мощности с заранее определенными значениями мощности, установленными для модельных вариантов обрыва линий. Выделяется максимальное совпадение, которое указывает на факт обрыва линий электропитания. Идентификационный знак выделенного модельного варианта обрыва идентифицирует участок обрыва силовой цепи электропитания распределенной нагрузки. Способ позволяет использовать единственный измеритель мощности нескольких линий с электрической нагрузкой. 3 ил., 1 табл.

Способ контроля целостности силовых линий электропитания распределенной нагрузки, заключающийся в том, что в узловых пунктах распределения электропитания измеряют электрические параметры силовых линий и определяют участок обрыва силовых линий, отличающийся тем, что по показаниям измерителя мощности фиксируют скачок мощности, превышающий уровень мощности минимального элемента нагрузки, в качестве электрического параметра измеряют уровень мощности, сравнивают измеренный уровень мощности с заранее определенными модельными значениями уровней мощности, установленными для модельных вариантов обрыва участков силовой линии электропитания распределенной нагрузки, причем каждому участку присваивают идентификационный знак, определяют величины разности между сравниваемыми модельными и измеренными уровнями мощности и выявляют среди них минимальную величину разности, которую сравнивают с уровнем мощности, характеризующим допустимую ошибку измерения, по наличию допустимого совпадения модельного и измеренного уровней мощности устанавливают факт обрыва силовой линии электропитания распределенной нагрузки, а участок обрыва определяют по идентификационному знаку модельного участка обрыва, которому соответствует минимальная величина разности модельного и измеренного уровней мощности.