СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01R31/11 

Изобретение относиться к электротехнике и может быть использовано при создании приборов для определения места повреждений (ОМП) в линиях электропередачи и связи (ЛЭП и С).

Известные способы ОМП ЛЭП и С [А.с. СССР №1385108, А.с. СССР №1531037, Патент РФ №2073253] основаны на импульсном методе без использования внутриимпульсной модуляции: в линию посылают немодулированные зондирующие сигналы, принимают отраженные от неоднородностей мест повреждений сигналы и определяют место повреждения по временной задержке отраженных от повреждения сигналов относительно зондирующих.

Недостатком этих известных способов является низкая точность измерений.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу и устройству является способ ОМП ЛЭП и С и устройство для его осуществления [Патент РФ №2073253, кл. G 01 R 31/11, 1997]. Способ основан на посылке в линию зондирующих импульсов напряжений, приеме отраженных импульсов, запоминании значений напряжения с линии для каждого значения временной задержки, определении места повреждения по временной задержке отраженного от импульса относительно зондирующего. С целью повышения достоверности и точности измерений, исключения паразитных переотражений от линии входа производят согласование выходного сопротивления генератора зондирующих импульсов с волновым сопротивлением линии циклически: в первом цикле запоминают половину амплитуды зондирующего импульса при отключении линии, во втором цикле измеряют амплитуду зондирующего импульса при произвольно установленном значении выходного сопротивления на входе подключенной линии, вычитают из нее величину, запомненную в первом цикле согласования, запоминают знак и величину результата вычитания, в третьем цикле согласования по результатам измерений первого и второго циклов вычисляют величину волнового сопротивления и по его цифровому коду устанавливают выходное сопротивление генератора зондирующих импульсов с заданной точностью.

Этот способ и осуществляющее его устройство имеют также низкую точность измерений.

Задачей изобретения являлось повышение точности измерения расстояния до места повреждения.

Указанная задача решается способом определения места повреждения линий электропередач и связи, заключающимся в посылке в линию зондирующих импульсов напряжения от генератора при согласовании выходного сопротивления последнего с волновым сопротивлением линии в соответствии с заданным диапазоном волновых сопротивлений и требуемой точностью согласования, приеме отраженных импульсов, определении места повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего, при этом зондирующие импульсы напряжения подвергают время-частотной модуляции, а отраженные импульсы соответствующей демодуляции, фильтрации и спектральному анализу, причем информацию о временной задержке отраженных импульсов относительно зондирующих и местах повреждений определяют по значениям получаемых амплитудно-частотных спектров.

Сущность изобретения заключается в использовании сигналов с время-частотной модуляцией для ОМП, обладающих высокой разрешающей способностью и точностью измерения времени запаздывания отраженного импульса относительно зондирующего [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Советское радио, 1970].

Поскольку ошибка измерения дальности при ОМП связана непосредственно с ошибкой измерения времени запаздывания, то можно характеризовать повышение точности измерения дальности уменьшением ошибок измерения времени запаздывания.

Известно [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Советское радио, 1970, стр.190], что среднеквадратическая ошибка (стандартное отклонение) измерения времени запаздывания определяется выражением

где q - отношение сигнал/шум;

П_э -эффективная полоса сигнала.

Для простоты рассуждении считаем в ЛЭП и С шум "бельм" с постоянной спектральной плотностью (N(f)=N_o=const), что физически оправдано [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Электроатомиздат, 1982, глава 5]. При этом для однократного зондирования отношение сигнал/шум рассчитывается следующим образом

где Э_u - энергия зондирующего импульса.

Среднеквадратическая ошибка измерения времени запаздывания при использовании импульсов без внутриимпульсной модуляции составляет [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Советское радио, 1970, стр.192]

где Р=Э_u/t_u - мощность импульса (для радиоимпульса мощность его высокочастотных колебаний).

При использовании сигналов с время-частотной модуляцией, например импульса с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) и прямоугольной огибающей, среднеквадратическая ошибка измерения времени запаздывания составляет [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Советское радио, 1970, стр.191]

где П_u=Δf=f_k-f_н - ширина спектра, девиация частоты ЛЧМ импульса с прямоугольной огибающей.

При этом в соответствии с формулой (3) при фиксированных значениях Р, N_o и при условии оптимальной обработки прямоугольного импульса без внутриимпульсной модуляции среднеквадратическая ошибка измерения времени запаздывания στ₁ не зависит от его длительности.

Пусть мощность излучаемого импульса (генератора зондирующих импульсов) Р=1 Вт, N_o=-30 дБ=10^-3 Вт·с. Тогда

где В=П_u·t_u - база сигнала.

В трактах высокочастотной обработки ЛЭП возможно излучение зондирующего сигнала в пределах полосы П_u=Δf=10⁶ Гц=1 мГц [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Электроатомиздат, 1982]. При этом, выбрав длительность ЛЧМ сигнала t_u=10^-1 с (В=10⁶·10^-1=10⁵), можно обеспечить повышение точности измерения времени запаздывания по сравнению с импульсами без модуляции более чем в 10⁴ раз.

Следует отметить, что ввиду нефлюктуирующего характера отражений от места повреждения целесообразно увеличивать длительность зондирующего импульса с время-частотной модуляцией до значений, в пределах которых возможно обеспечение когерентного накопления. С целью дальнейшего повышения точностных характеристик измерения времени запаздывания и обеспечения высокого отношения сигнал/шум целесообразно излучение последовательностей модулированных импульсов с последующей когерентной и некогерентной обработкой [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Советское радио, 1970].

Для пояснения точностных преимуществ предлагаемого способа возможен и другой подход. Поскольку ошибка измерения времени запаздывания обратно пропорциональна полосе зондирующего импульса (формула (1)), то при равных отношениях сигнал/шум q для сигналов с внутриимпульсной модуляцией и без нее имеем:

- для ЛЧМ импульса полоса (ширина спектра) зависит от девиации частоты и не зависит от длительности t_u импульса. При этом возможно увеличение длительности ЛЧМ импульса без снижения точностных характеристик измерений времени запаздывания. Наоборот, увеличение длительности ЛЧМ импульса приведет к увеличению отношения сигнал/шум и повышению точности измерений;

- для сигнала без внутриимпульсной модуляции и прямоугольной огибающей полоса определяется длительностью импульса [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Советское радио, 1970]

Таким образом, для таких сигналов не возможно увеличение длительности зондирующего импульса без снижения точностных характеристик измерений времени запаздывания. С другой стороны, увеличение длительности зондирующего импульса приводит к увеличению "мертвой зоны", т.е. отрезку ЛЭП и С, где выявление повреждений невозможно из-за блокирования приемника на время излучения импульса передатчика. Увеличение энергетики для зондирования импульсами без внутриимпульсной модуляции возможно таким образом только за счет увеличения амплитуды колебаний, что затрудняет построение соответствующих генераторов зондирующих импульсов и, в конечном итоге, имеет ограничения из-за возможности возникновения "пробоя" (до величины пробивных напряжений).

Предлагаемый способ может быть реализован устройством, содержащим генератор зондирующих импульсов, связанный вторым выходом с линией, с блоком управляемого выходного сопротивления, второй вход и второй выход которого являются соответственно вторым входом и вторым выходом генератора, вычислительный блок, второй выход которого соединен с вторым входом генератора, приемник, первым входом связанный с первым выходом генератора зондирующих импульсов, а входом/выходом - с входом/выходом вычислительного блока, и блок индикации, входом подключенный к третьему выходу вычислительного блока, в котором согласно предложению в генератор зондирующих импульсов установлены последовательно соединенные блок памяти, цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, при этом вход блока памяти является первым входом генератора зондирующих импульсов и соединен с первым выходом вычислительного блока, а выход усилителя мощности является первым выходом генератора и подключен к входу блока управляемого выходного сопротивления, приемник дополнительно содержит фильтр нижних частот, а второй выход генератора зондирующих импульсов дополнительно подключен ко второму входу приемника.

На фиг.1 представлено устройство, осуществляющее предложенный способ; на фиг.2 представлен вариант блока управляемого выходного сопротивления генератора зондирующих импульсов; на фиг.3, 4 представлены примеры реализации приемника и вычислительного блока; фиг.5, 6 поясняют работу предлагаемого устройства.

Устройство (фиг.1) содержит генератор зондирующих импульсов 1, состоящий из блока управляемого выходного сопротивления 2, блока памяти 3, цифроаналогового преобразователя 4 и усилителя мощности 5, приемник 6, вычислительный блок 7 (например, микроЭВМ), блок индикации 8.

Первый выход генератора 1, которым является выход усилителя мощности 5, соединен с первым входом приемника 6, выход усилителя мощности 5 связан также с входом блока управляемого выходного сопротивления 2, второй выход генератора 1 связан с линией (ЛЭП или С) и одновременно - со вторым входом приемника 6. Первый вход генератора 1, являющийся одновременно входом блока памяти 3, соединен с первым выходом вычислительного блока 7, а второй вход генератора 1, являющийся одновременно вторым входом блока управляемого выходного сопротивления 2, соединен со вторым выходом вычислительного блока 7. Вычислительный блок 7 входом/выходом связан с входом/выходом приемника 6, а третьим выходом - с входом блока индикации 8.

Приемник 6 (фиг.3) содержит смеситель 9, фильтр нижних частот 10 и аналого-цифровой преобразователь с управляемым усилением 11. Первый и второй входы смесителя 9 являются соответственно первым и вторым входами приемника 6, а вход/выход преобразователя 11 - входом/выходом приемника 6.

Вычислительный блок 7 (фиг.4) в общем случае может представлять собой микроЭВМ, содержащую шину адресов, данных, управления 12, модуль процессора 13, устройство управления клавиатурой 14, модуль памяти 15.

Устройство работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства для определения места повреждения (ОМП) на примере излучения и обработки ЛЧМ импульсов (импульсов с линейной частотной модуляцией) с прямоугольной огибающей.

В начале измерений (перед ОМП) производят согласование выходного сопротивления генератора зондирующих импульсов 1 (фиг.1) с волновым сопротивлением линии, подключенной к выходу блока управляемого выходного сопротивления (фиг.2). Режим согласования устанавливают блоком 14 микроЭВМ 7 (фиг.4) в соответствии с заданными диапазоном волновых сопротивлений и требуемой точностью согласования.

После завершения процесса согласования выходного сопротивления генератора 1 под воздействием команд блока 14 микроЭВМ модуль процессора 13 с участием программного обеспечения, хранящегося в модуле памяти 15, производит расчет цифровых кодов дискретных значений отсчетов ЛЧМ импульса заданной длительности t_u. Цифровые коды с выхода 1 микроЭВМ 7 поступают в блок памяти 3 генератора зондирующих импульсов 1, где записываются и хранятся. Выбор параметров ЛЧМ импульса (например, длительности, ширины спектра) производится исходя из обеспечения требуемой точности измерений с учетом параметров ЛЭП и С.

Под воздействием управляющих сигналов с первого выхода микроЭВМ 7 цифровые коды отсчетов ЛЧМ импульса поступают на цифроаналоговый преобразователь 4 и далее на усилитель мощности 5, на выходе которого формируется зондирующий ЛЧМ импульс. Проходя через блок управляемого выходного сопротивления 2, с его выхода ЛЧМ импульс поступает в линию, а с выхода усилителя мощности 5 на первый вход приемника и является опорным сигналом для смесителя 9. Излучаемый зондирующий сигнал (ЛЧМ импульс с прямоугольной огибающей) имеет вид

где U_m - амплитуда ЛЧМ импульса;

ω_н=2πf_н - начальная частота;

β=dω/dt - скорость изменения частоты.

В случае зеркального отражения от места повреждения (например, места короткого замыкания ЛЭП) на вход 2 приемника 6 отраженный импульс поступит с временной задержкой τ₃ (фиг.5) по отношению к излученному импульсу (времени запуска генератора зондирующих импульсов t_н). Отраженный от места повреждения импульс изображен на фиг.5 штриховой линией. При этом напряжение отраженного импульса на первом входе приемника будет описываться выражением

где R_о - коэффициент, характеризующий ослабление зондирующего импульса в процессе распространения по ЛЭП (или линии связи) и отражения от места повреждения.

В силу идентичности характеристик излучаемого импульса и опорного сигнала смесителя на его входе низкочастотная составляющая напряжения будет иметь вид

где Ω=2πf=βτ₃ - разностная частота;

ψ(τ₃)⁼(ω_нτ₃-βt²/2) - набег фазы.

Из приведенного выражения (7) следует, что разностная частота Ω=βτ₃ однозначно определяется временем распространения зондирующего импульса до места повреждения. Таким образом, процесс демодулирования принимаемого колебания на смесителе 9 приемника 6 с помощью опорного сигнала генератора зондирующих импульсов 1 преобразует информацию о месте повреждения, заложенную во времени задержки τ₃, в информацию, выраженную в частоте низкочастотной составляющей выходного напряжения смесителя 9 приемника 6. Сигнал с выхода смесителя подлежит выделению фильтром нижних частот (ФНЧ) 10. ФНЧ 10 дополнительно не пропускает демодулированные сигналы с выхода 2 генератора зондирующих импульсов 1 и демодулированные импульсы, отраженные от места перехода "генератор зондирующих импульсов - линия", которые на входе смесителя 9 располагаются в области нулевых частот (τ₃ близко к нулю). Полоса фильтрации ФНЧ 10 в области нулевых частот обозначена заштрихованным участком на фиг.6.

С выхода ФНЧ 10 обработанный сигнал поступает на модуль аналого-цифрового преобразования (АЦП) с управляемым усилением 11 для усиления и преобразования в цифровую форму. Усиление является управляемым, поскольку коэффициент усиления модуля 11 может изменяться под воздействием сигналов со входа/выхода микроЭВМ 7 на вход/выход приемника 6. Цифровые отсчеты принятых сигналов через вход/выход и шину адресов, данных, управления 12 подаются на модуль процессора 13 для реализации вычислительных процедур спектрального анализа. При этом используется программное обеспечение, хранящееся в модуле памяти 15. В качестве процедур спектрального анализа, реализуемых модулем процессора 13, может выступать дискретное преобразование Фурье (ДПФ) или быстрое преобразование Фурье (БПФ), а также другие алгоритмы цифрового спектрального анализа [Марпл - мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990]. Размерность ДПФ (БПФ) определяется параметрами зондирующего сигнала и диапазоном анализируемых дальностей до места повреждения.

Результатом выполнения модулем 13 вычислительных процедур для одного зондирующего сигнала (импульса) является получение отсчетов амплитудно-частотного спектра для каждого разрешаемого элемента дальности в пределах потенциально возможной дальности до места повреждения. Пример такого амплитудно-частотного спектра приведен на фиг.6. Результаты спектрального анализа (амплитудно-частотный спектр и его эквиваленты) отражаются на блоке индикации 8. По этим результатам (например, по максимальному значению амплитудно-частотного спектра) можно судить о месте повреждения.

При излучении последующих импульсов могут уточняться волновое сопротивление линии, а также результаты ОМП путем совместного анализа амплитудно-частотных спектров для каждого зондирующего импульса.

Для увеличения отношения сигнал/шум и точностных характеристик устройства возможна подача на вход 1 смесителя 9 приемника 6 (но не в исследуемую линию) импульса повышенной длительности t_u=t_k+τ_3max-t_н. Такой импульс изображен штрихпунктирной линией на фиг.5 и его использование позволяет увеличить время когерентного накопления отраженного сигнала на предельных дальностях при ОМП. Укорочение зондирующих импульсов, поступающих в линию с выхода 2 генератора зондирующих импульсов 1, по сравнению с зондирующими импульсами, поступающими с первого входа генератора 1, достигается управляющими сигналами с выхода 2 микроЭВМ 7.

Способ основан на определении временной задержки отраженного от места повреждения импульса относительно зондирующего импульса. При этом зондирующий импульс подвергают время-частотной модуляции, а отраженный импульс - соответствующей демодуляции, фильтрации и спектральному анализу. Информацию о временной задержке определяют по значениям получаемых амплитудно-частотных спектров. Генератор зондирующих импульсов содержит последовательно соединенные блок памяти, цифроаналоговый преобразователь, усилитель мощности и блок управляемого выходного сопротивления для согласования выходного сопротивления генератора с волновым сопротивлением линии. Вход блока памяти и вход управляемого выходного сопротивления соединены с соответствующими выходами вычислительного устройства. Приемник устройства дополнительно содержит фильтр нижних частот, а также имеет дополнительный вход, к которому подключен второй выход генератора зондирующих импульсов. За счет использования импульсов с время-частотной модуляцией уменьшается ошибка определения временной задержки. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения места повреждения линий электропередач и связи, заключающийся в посылке в линию зондирующих импульсов напряжения от генератора при согласовании выходного сопротивления последнего с волновым сопротивлением линии в соответствии с заданным диапазоном волновых сопротивлений и требуемой точностью согласования, приеме отраженных импульсов, определении места повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего, отличающийся тем, что зондирующие импульсы напряжения подвергают времячастотной модуляции, а отраженные импульсы соответствующей демодуляции, фильтрации и спектральному анализу, причем информацию о временной задержке отраженных импульсов относительно зондирующих и местах повреждений определяют по значениям получаемых амплитудно-частотных спектров.2. Устройство для определения места повреждения линий электропередач и связи, содержащее генератор зондирующих импульсов с блоком управляемого выходного сопротивления, второй вход и второй выход которого являются соответственно вторым входом и вторым выходом генератора, связанным с линией, вычислительный блок, второй выход которого соединен с вторым входом генератора, приемник, первым входом связанный с первым выходом генератора зондирующих импульсов, а входом/выходом - с входом/выходом вычислительного блока, и блок индикации, входом подключенный к третьему выходу вычислительного блока, отличающееся тем, что в генератор зондирующих импульсов дополнительно введены последовательно соединенные блок памяти, цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, при этом вход блока памяти является первым входом генератора зондирующих импульсов и соединен с первым выходом вычислительного блока, а выход усилителя мощности является первым выходом генератора и одновременно подключен к входу блока управляемого выходного сопротивления, приемник дополнительно содержит фильтр нижних частот, а второй выход генератора зондирующих импульсов дополнительно подключен ко второму входу приемника.