СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2006 года по МПК G01R31/08 H05B37/03 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к области контроля целостности протяженных линий электропитания с распределенной параллельной или параллельно-последовательной нагрузкой, 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).

Известны устройства для контроля нагрузки осветительной сети, содержащие трансформатор тока, установленный в цепи линии питания осветительной сети. Работа таких устройств основана на контроле отклонения тока нагрузки на пункте включения и определении по факту уменьшения тока нагрузки целостности линии питания осветительной сети, т.е. распределенной нагрузки (авторское свидетельство СССР №№1337781, патент РФ №2136106). Недостатком таких устройств является явная зависимость точности работы от колебаний напряжения в сети.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой системе является система контроля целостности силовых линий сети уличного освещения, содержащая узлы определения в цифровом виде активной и реактивной мощностей, коэффициента мощности и контроля, расположенные на пункте включения (ПВ) и связанные с автоматизированным рабочим местом по каналу связи (патент FR №2725277). Работа этой системы основана на сравнении активной, реактивной мощности и коэффициента мощности с их допуском, заданным минимальным и максимальным значениями и определении по результатам сравнения нарушения целостности линии сети уличного освещения.

Недостатком рассматриваемой системы является тот факт, что данная система определяет неисправность с точностью до линии освещения в целом, подключенной к оконечному пункту включения общегородской системы наружного освещения, при этом каждый из множества таких пунктов включения должен быть дополнительно оборудован мультиплексором и микроконтроллером.

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

Предлагается система контроля целостности силовых линий электропитания распределенной нагрузки, работа которой основана на измерении в узловых пунктах распределения электроэнергии мгновенной мощности, определении скачков мощности как разности мощностей, потребляемых в моменты времени до изменения электрической нагрузки и после ее изменения, и определении по наличию и величине скачка 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).

Определение скачков мощности может выполняться 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, являющимся 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 различную 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 РФ №2037937).

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 состав системы контроля целостности силовых линий электропитания распределенной нагрузки (фиг.2) входят: цифровой электросчетчик 1, подключенный к контроллеру 2, который через аппаратуру канала связи 3 подключен к автоматизированному рабочему месту диспетчерского пункта (АРМ ДП) 4.

Цифровые электросчетчики стандартного исполнения, наряду с исполнением основных функций по периодическому измерению и запоминанию во встроенной памяти текущих значений потребленной электроэнергии, имеют возможность измерять и запоминать значения мощностей, отдаваемых в нагрузку, усредненных за определенный интервал времени, например за полчаса. Через стандартный интерфейс электросчетчик опрашивается контроллером, где формируется сигнал, содержащий информацию, идентифицирующую адрес точки контроля электроэнергии, данные о потребленной электроэнергии и значения получасовых мощностей. Сформированный в контроллере сигнал через канал связи передается на АРМ ДП.

В зависимости от конструкций существующих образцов цифровых электросчетчиков могут измеряться и фиксироваться в их памяти данные об активной составляющей мощности, реактивной составляющей мощности или активной и реактивной составляющих мощности.

В предлагаемой системе 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 системы при отдельном учете и анализе любой из составляющих мощности является базовым вариантом. При последовательном контроле имеет место последовательное двукратное применение базового варианта. При одновременном учете составляющих мощности одновременно анализируется пара измеренных компонент мощности. Исходной информацией для анализа могут являться сигналы, пропорциональные скачкам мощностей, возникающим при обрывах линий. Скачки уровней мощности запоминаются и анализируются в контроллере ПВ или АРМ ДП.

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

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

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемой системы, выражается в упрощении процесса локализации участка обрыва силовых линий электропитания распределенной параллельной или параллельно-последовательной нагрузки за счет использования единственного измерителя мощности в виде цифрового электросчетчика для нескольких линий с электрической нагрузкой, подключенных к ПВ.

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 предлагаемой системы 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 в виде цифровых электросчетчиков.

Для реализации предлагаемой системы данные с измерителя 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 модельными выходными данными математических моделей силовых линий, питающих распределенную нагрузку (приборы освещения).

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 на АРМ ДП перечня значений (таблиц) скачков электрических мощностей, возникающих при изменении нагрузки, и связанных с этими скачками номеров участков обрыва в силовых линиях.

Такие математические модели могут быть программно реализованы, например, непосредственно в контроллере ПВ. Возможна также их реализация на АРМ 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.

ТаблицаЗначения 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 обрываΔРаΔPp11ΔРа₁ΔPp₁2ΔРа₂ΔPp₂3ΔРа₃ΔPp₃...  КΔРа_kΔPp_k2K+1ΔРа_k+1ΔPp_k+1К+2ΔРа_k+2ΔPp_k+2К+3ΔРа_k+3ΔPp_k+3...  KΔРа_k+nΔPp_k+n

Реализация системы 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 ими 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 мгновенные изменения составляющих, т.е. «скачки» мощности.

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

Применительно к данным, приведенным в таблице, это означает, что скачки 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 цифрового электросчетчика как измерителя мощности.

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

где - векторная величина, причем ={ΔPa_k, ΔPp_k},

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.

Дополнительным свойством процедуры идентификации участка обрыва, позволяющим отличить обрыв линии электропитания от отказов, является одномоментность («скачкообразность») изменения одной из компонент мощности на величину, превосходящую скачок компоненты мощности при отказе (обрыве) единственного элемента нагрузки. Указанное дополнительное свойство наиболее четко проявляется при примерно одинаковых параметрах отдельных элементов распределенной нагрузки, как это обычно имеет место в линиях освещения.

Таким образом, при реализации рассматриваемой системы, 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.3.

На графике по оси ординат (δР) откладываются значения разности скачков измеренной мощности и скачков мощности в модельных ситуациях обрывов линий, т.е. δР_i=ΔР_i ^м-ΔР^ав, 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 скачка 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 ДП.

В математическом смысле задача поиска участка линии, где произошел обрыв, сводится к поиску глобального минимума у многоэкстремальной ступенчатой функции δP(k) (фиг.3), 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 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 рассматриваемой системы. Пример возможной нормировки участков при двух силовых линиях, отходящих от узлового ПВ электропитания, представлен на фиг.4.

Устройство, изображенное на фиг.4, 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 скачка одной из компонент мощности, несколько, то в соответствии с рассматриваемым способом осуществляется их фильтрация по данным о 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 .

Если глобальный минимум функции на фиг.3 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 скачков мощности, соответствующих состояниям сети при наличии множественных обрывов и отказах (отключениях) элементов нагрузки. В этом случае для реализации рассматриваемой системы контроля целостности линий электропитания решение задачи поиска участка обрыва возможно не в контроллере ПВ, а на более мощном АРМ ДП.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется:

фиг.1 - обобщенная схема системы каскадного управления наружным освещением;

фиг.2 - система контроля целостности силовых линий электропитания распределенной нагрузки;

фиг.3 - поиск варианта максимально точного совпадения измеренных данных с модельными данными о «скачках» мощности;

фиг.4 - вариант нормировки участков возможного обрыва силовых линий электропитания.

Источники информации:

1. Авторское свидетельство SU №1337781, кл. МПК 4 G 01 R 19/00, 11.11.84. Устройство для контроля нагрузки осветительной сети.

2. Патент RU №2136106, кл. МПК 6 Н 04 В 3/46, 01.02.1993. Способ локализации участка обрыва цепи дистанционного питания и устройство для его осуществления.

3. Патент FR №2725277, кл. МПК G 01 R 31/44; Н 05 В 37/03, 30.09.94.

4. Патент RU №2037937, кл. МПК H 02 J 13/00, 19.06.95. Способ контроля каскада наружного освещения.

5. Официальный сайт предприятия ОАО "Научно-исследовательский институт точной механики" - http://www.niitm.spb.ru, раздел: АСУ наружным освещением.

Система предназначена для контроля целостности протяженных линий электропитания с распределенной параллельной или параллельно-последовательной нагрузкой, например линий электроосвещения городов и предприятий. Система содержит расположенные на пункте включения цифровой электросчетчик и контроллер пункта включения, а также автоматизированное рабочее место, соединенное с контроллером пункта включения по каналу связи. Цифровой электросчетчик выполнен с возможностью измерения скачков электрической мощности, отдаваемой в одну или несколько линий электропитания распределенной нагрузки. В контроллере пункта включения или на автоматизированном рабочем месте осуществляется сравнение измеренных значений мощности с табличными модельными данными об уровнях мощности, характерных для аварийного функционирования линий электропитания при обрыве части линий электропитания распределенной нагрузки. Система позволяет определять участок обрыва линии при контроле нескольких линий электропитания при наличии единственного измерителя мощности. 4 ил., 1 табл.

Система контроля целостности силовых линий электропитания распределенной нагрузки, содержащая цифровой электросчетчик, обладающий возможностью измерять электрическую мощность, и контроллер, расположенные на пункте включения распределенной нагрузки и соединенные между собой, автоматизированное рабочее место, расположенное на диспетчерском пункте, соединенное с контроллером по каналу связи, отличающаяся тем, что цифровой электросчетчик выполнен с возможностью измерять скачки электрической мощности в линии, питающей распределенную нагрузку, а автоматизированное рабочее место и контроллер пункта включения выполнены с возможностью сравнения величины измеренного скачка мощности с заранее определенными модельными значениями, установленными для модельных вариантов обрыва участков силовой линии электропитания распределенной нагрузки, и выдачи извещения об обрыве линии электропитания распределенной нагрузки при обнаружении совпадения и о номере участка, на котором произошел обрыв.