СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И СВЯЗИ Российский патент 2015 года по МПК G01R31/11 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано при создании приборов для определения места повреждения линий электропередачи и связи.

Известен способ для определения места повреждения линий электропередачи и связи (Патент РФ №2330298, кл. G01R 31/11 от 03.07.2006), согласно способу в линию передачи посылают зондирующие импульсы напряжения. Определяют место повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего. Далее излучают квазинепрерывный колебательный сигнал, представляющий собой импульсы напряжения, мгновенные значения которых получены суммой гармонических составляющих двух и более частот. Принимают отраженный сигнал в моменты времени, соответствующие предварительно определенному месту повреждения. Уточняют дальность до места повреждения по фазочастотному спектру.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу определения места повреждения линий электропередачи и связи является способ определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления, патент РФ №2446407, кл. G01R 31/11 от 27.03.2012.

Согласно прототипу-способу в линию электропередачи и связи излучают гармонические колебания на каждой f_i из N частот последовательно во времени, определяют по принятым отраженным сигналам коэффициенты отражения Г(f_i), измеренные значения умножают на M значений $$e^{j\frac{4\pi \cdot x_m}{V_{Фi}}}$$ , где x_m=x_min+m·Δx, Δx - шаг (дискрет значений), x_min - нижняя граница области возможного расстояния до дефекта, полученные M значений запоминают, для каждого из M значений ожидаемой дальности x_m суммируют значения измеренных коэффициентов отражения, умноженных на значения $$e^{j\frac{4\pi \cdot x_m}{V_{Фi}}}$$ , и определяют значения мощностей по формуле $${\left|U_m\right|}^2={\left|{\displaystyle \sum _{i=1}^NГ(f_i)e^{j\frac{4\pi \cdot f_i}{V_{ф1}}}}\right|}^2$$ , находят максимальное из них: $${\left|U_S\right|}^2=\underset{m=1\dots M}{max{\left|U_m\right|}^2}$$ , и его номер s и определяют расстояние до дефекта по формуле x_д=x_min+s·Δx.

Недостатком способа определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройства для его осуществления согласно прототипу - патенту РФ №2446407, кл. G01R 31/11 от 27.03.2012, является то, что зависимость мощности $${\left|U_m\right|}^2$$ от значений дальности представляет собой пик, окруженный боковыми лепестками. При присутствии в линии электропередачи и связи второго дефекта, расположенного ближе, чем основной дефект, его наличие маскируется боковыми лепестками более сильного отклика. Также при расположении второго дефекта на небольшом расстоянии от основного дефекта возможность его наблюдения и пространственного разрешения ограничено уровнями боковых лепестков основного отклика.

Задачей изобретения является обеспечение возможности обнаружения слабых дефектов, расположенных вблизи основного дефекта, и улучшение их пространственного разрешения.

Решаемая задача в способе определения места повреждения линий электропередачи и связи, заключающемся в излучении в линию электропередачи и связи гармонических колебаний различных частот последовательно во времени, приеме отраженных сигналов, определении по принятым отраженным сигналам коэффициентов отражения Г(f_i), умножении на M значений $$e^{j\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{V_{Фi}}}$$ измеренных значений коэффициентов отражения Г(f_i);

где x_m=x_min+m·Δx, Δx - шаг (дискрет значений),

x_min - нижняя граница области возможного положения дефекта, запоминании полученных M значений, определении значений мощностей путем суммирования значения измеренных коэффициентов отражения, умноженных на значения $$e^{j\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{V_{Фi}}}$$ для каждого из M значений ожидаемой дальности x_m, нахождении номера s, соответствующего максимальному значению мощности $${\left|U_s\right|}^2$$ , и определении расстояния до дефекта как x_д=x_min+s·Δx, достигается тем, что значения мощностей отраженных сигналов определяют дважды по формуле $${\left|U_{m\mathrm{1,2}}\right|}^2={\left|{\displaystyle \sum _{i=1}^N{A}_nГ(f_i)e^{j\frac{4\pi f_i{x}_m}{V_{ф}}}}\right|}^2$$ ; причем первое U_m1 - как синфазное суммирование, и все значения коэффициента A_n выбирают положительными, второе значение мощности отраженных сигналов U_m2 определяют после умножения остальных (N-N₁) измеренных значений мощностей на (-A_n) по формуле $${\left|U_{m2}\right|}^2={\left|{\displaystyle \sum _{i=1}^{N_1}{A}_nГ(f_i)e^{j\frac{4\pi f_i{x}_m}{V_{ф}}}}-{\displaystyle \sum _{i=N_1}^N{A}_nГ(f_i)e^{j\frac{4\pi f_i{x}_m}{V_{ф}}}}\right|}^2$$ , где 0<N₁<N, далее определяют значения мощности U_m отраженных сигналов как разность первого и второго значений мощностей, исключая отрицательные значения: $${\left|U_m\right|}^2=\{\begin{array}{l}{\left|U_{m1}\right|}^2-{\left|U_{m2}\right|}^2{\left|U_m\right|}^2>0\\ 0{\left|U_m\right|}^2\le 0\end{array}$$ , по которой и определяют место повреждения линий электропередачи и связи.

На фиг.1 показана схема осуществления измерения расстоянии до дефекта.

На фиг.2 показаны значения мощностей при различных значениях предполагаемой дальности до дефекта.

На фиг.3 приведены результаты определения места повреждения линий электропередачи и связи, полученные моделированием процесса измерения согласно изобретению.

На фиг.4 приведено устройство определения места повреждения линий электропередачи и связи, с помощью которого может быть осуществлен способ определения места повреждения линий электропередачи и связи.

На фиг.5 приведена схема алгоритма работы вычислительного блока при обработке сигнала.

Устройство для определения места повреждения линий электропередачи и связи (фиг.4) содержит: 1 - блок индикации, 2 - вычислительный блок, 3 - генератор, 4 - приемник, 5 - переключатель, 6 - направленный ответвитель, 7 - линия электропередачи и связи.

Рассмотрим осуществление способа и работу устройства для определения места повреждения линий электропередачи и связи.

Заявленный способ может быть реализован в устройстве согласно прототипу (патент РФ №2446407, кл. G01R 31/11 от 27.03.2012). Реализация заключается в следующем. Устройство определения места повреждения линий электропередачи и связи, представленное на фиг.4, работает следующим образом. Вычислительный блок 2 формирует сигнал - команду генератору 3 для генерации колебания на частоте f₁. На входы приемника 4 поступают сигналы на частоте f₁, пропорциональные амплитуде падающей и отраженной волны $$k{U}_{пад}{e}^{j2\pi \cdot f_{1}t}$$ и $$k{U}_{отр}{e}^{-2\alpha \left(f_1\right)x_{д}}\cdot e^{j2\pi \cdot f_1\left(t-\frac{2x_{д}}{V_{ф1}}\right)}$$ . После оцифровки эти сигналы поступают в вычислительный блок 2 в цифровой форме. Далее процесс повторяется для значений частот f₂…f_M. В вычислительном блоке 2 осуществляется цифровая обработка согласно заявляемому способу определения места повреждения линий электропередачи и связи. Схема алгоритма обработки сигнала приведена на фиг.5.

Устройство определения места повреждения линий электропередачи и связи может быть реализовано следующим образом. Генератор может быть выполнен на основе известных устройств с синтезатором частоты. Направленный ответвитель в зависимости от диапазона частот - на основе связанных линий электропередачи или на дискретных элементах. Направленные ответвители указанного вида широко применяются в измерительной технике, в частности в приборах для измерения коэффициента стоячей волны и ослаблений, выпускаемых промышленностью. Вычислительный блок может быть выполнен на основе микроЭВМ, содержащей центральный процессор достаточного быстродействия, оперативную память умеренной емкости и устройство ОЗУ, например на основе приборозарядовой связи. Индикатор - любого типа, например, жидкокристаллический.

Определение расстояния до дефекта, согласно заявляемому способу определения места повреждения линий электропередачи и связи, осуществляют следующим образом (см фиг.1). В линии электропередачи и связи возбуждают электромагнитную волну на частоте f₁. Коэффициент отражения нагруженной линии электропередачи и связи от дефекта на расстоянии x_∂ равен:

где V_Ф(f₁) и α(f₁) - фазовая скорость и коэффициент затухания волны на частоте f₁. Г_д - коэффициент отражения от дефекта. [см., например, Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.А. Мишустин. Устройства СВЧ: Учеб. пособие / Под ред. Д.М. Сазонова. - М.: Высшая школа, 1981, стр.23].

Измерение комплексного коэффициента отражения технически реализуемо даже при использовании в качестве зондирующего немодулированного монохроматического сигнала [см., например, Двояршин Б.В. Метрология и радиоизмерения: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2005, стр.213].

Измеренное значение коэффициента отражения умножают на M значений $$e^{j\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{V_{Фi}}},$$ где x_m=x_min+m·Δx, Δx - шаг (дискрет значений), x_min - нижняя граница области возможного положения дефекта. Результат умножения соответствует сдвигу по фазе отраженной волны на величину $$\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{V_{Ф1}}.$$ Получают M значений $$Г(f_1)\cdot e^{j\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{V_{Ф1}}}.$$

Далее процесс повторяют для частоты f₂, f₃, … f_N. Значение ширины полосы частот Δf=[f_min, f_max] и величину дискрета выбирают из условия требуемой точности измерения. [см., например, Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Советское радио, 1970, стр 190].

Для каждого из M значений ожидаемой дальности x_m суммируют значения измеренных коэффициентов отражения, сдвинутых по фазе на величины $$\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{V_{Фi}},$$ и определяют значения его мощности дважды: первый раз аналогично способу в прототипе изобретения, а именно:

Второй раз:

Причем значение номера N₁ выбирается в рамках 1<N₁<N таким образом, чтобы второе значение мощности в точке x_m имело минимальное значение. Затем находят значения мощностей $${\left|U_m\right|}^2$$ как разность $${\left|U_{m1}\right|}^2$$ и $${\left|U_{m2}\right|}^2$$ , опуская отрицательные значения $${\left|U_m\right|}^2=\{\begin{array}{l}{\left|U_{m1}\right|}^2-{\left|U_{m2}\right|}^2{\left|U_m\right|}^2>0\\ 0{\left|U_m\right|}^2\le 0\end{array}$$

Среди значений $${\left|U_m\right|}^2$$ максимальным является такое s - e значение, которое соответствует истинному расстоянию до дефекта x_д≈x_s, т.к. при этом все члены суммы являются вещественными и положительными.

Таким образом, находя максимальное значение $${\left|U_m\right|}^2$$ (m=1…M)

Определяют его номер - s, а измерение значения расстояния до дефекта вычисляют как x_д=x_min+s·Δx.

На фиг.2 показаны значения мощностей при различных значениях предполагаемой дальности до дефекта, находящегося в точке x_д. Кривая 8 соответствует значениям $${\left|U_{m1}\right|}^2$$ , т.е. согласно прототипу, кривая 9 соответствует значениям $${\left|U_{m2}\right|}^2$$ . Кривая 10 - результат обработки согласно заявляемому способу.

Достижение решаемой задачи происходит потому, что ближайшие к точке x_д максимальные значения зависимостей $${\left|U_{m2}\right|}^2$$ , как правило, превосходят по амплитуде значения боковых лепестков зависимости $${\left|U_{m1}\right|}^2$$ (кривая 9). После вычитания большинство значений $${\left|U_{m1}\right|}^2-{\left|U_{m2}\right|}^2$$ , соответствующих боковым лепесткам $${\left|U_{m1}\right|}^2$$ , исключаются из рассмотрения (кривая 10, фиг.2).

Расчеты зависимостей $${\left|U_{m1}\right|}^2$$ , $${\left|U_{m2}\right|}^2$$ и $${\left|U_{m1}\right|}^2-{\left|U_{m2}\right|}^2$$ для различных расстояний до дефектов подтверждают решение поставленной задачи. На фиг.3 приведены результаты определения места повреждения линий электропередачи и связи, полученные моделированием процесса измерения согласно изобретению. Моделирование соответствует измерению в линии электропередачи и связи с относительной фазовой скоростью $$\raisebox{1ex}{$V_{ф}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$с$}\right.=0,688$$ , коэффициенту затухания α=0 с использованием измерительных сигналов в полосе частот 30-70 МГц. Основной дефект с коэффициентом отражения Г_д1=1 (обрыв) находился на расстоянии 100 м, второй дефект (несанкционированное разветвление) с коэффициентом отражения Г_д2=-0,5 находился ближе основного дефекта на расстояниях 2,65 м, 4 м, 5 м. Отношение сигнал/шум для измеряемых коэффициентов отражения -17 дБ. Результаты приведены на фиг.3, где показаны слева - результаты измерений согласно способу-прототипу, справа - согласно заявляемому способу. Как видно из данных фиг.3, при измерениях согласно заявляемому способу:

- происходит уменьшение ширины «пика», что повышает точность определения места повреждений;

- более четко наблюдается отклик от дефекта, расположенного ближе основного дефекта. При измерении согласно прототипу этот отклик маскируется боковыми лепестками. При измерении согласно заявленному способу наличие этого дефекта становится более заметным (справа на фиг.3).

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано при создании приборов для определения места повреждений линий электропередачи и связи. Технический результат: обеспечение возможности обнружения слабых дефектов, расположенных вблизи основного дефекта. Сущность изобретения: излучают в линию гармонические колебания различных частот последовательно во времени. Принимают отраженные сигналы. Определяют по принятым отраженным сигналам коэффициенты отражения Г(f_i). Умножают коэффициенты отражения на M значений $$e^{j\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{Vф}}$$ , где x_m=x_min+m·Δx, Δx - шаг (дискрет значений), x_min - нижняя граница области возможного положения дефекта. Запоминают полученные M значений. Определяют значения мощностей отраженных сигналов дважды по формулам: $${\left|U_{m1}\right|}^2={\left|{\displaystyle \sum _{i=1}^N{A}_nГ(f_i)e^{j\frac{4\pi f_i{x}_m}{V_{ф}}}}\right|}^2$$ и $${\left|U_{m2}\right|}^2={\left|{\displaystyle \sum _{i=1}^{N_1}{A}_nГ(f_i)e^{j\frac{4\pi f_i{x}_m}{V_{ф}}}}-{\displaystyle \sum _{i=N_1}^N{A}_nГ(f_i)e^{j\frac{4\pi f_i{x}_m}{V_{ф}}}}\right|}^2$$ , где 1<N₁<N. Далее определяют значения мощности отраженных сигналов U_m как разность первого и второго значений мощностей, исключая отрицательные значения: $${\left|U_m\right|}^2=\{\begin{array}{l}{\left|U_{m1}\right|}^2-{\left|U_{m2}\right|}^2{\left|U_m\right|}^2>0\\ 0{\left|U_m\right|}^2\le 0\end{array}$$ , и по максимальному значению определяют место повреждения. 5 ил.

Способ определения места повреждения линий электропередачи и связи, заключающийся в излучении в линию электропередачи и связи гармонических колебаний различных частот последовательно во времени, приеме отраженных сигналов, определении по принятым отраженным сигналам коэффициентов отражения Г(f_n), умножении на M значений $$e^{j\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{V{ф}_n}}$$ измеренных значений коэффициентов отражения Г(f_n);
где x_m=x_min+m·Δx, Δx - шаг (дискрет значений),
x_min - нижняя граница области возможного положения дефекта, запоминании полученных M значений, определении значений мощностей путем суммирования значения измеренных коэффициентов отражения, умноженных на значения $$e^{j\frac{4\pi \cdot f_n{x}_m}{V{ф}_n}}$$ для каждого из M значений ожидаемой дальности x_m, нахождении номера s, соответствующего максимальному значению мощности $${\left|U_s\right|}^2$$ , и определении расстояния до дефекта как x_∂=x_min+s·Δx, отличающийся тем, что значения мощностей отраженных сигналов определяют дважды, причем первое U_m1 - как синфазное суммирование, и все значения коэффициента A_n выбирают положительными, при этом $${\left|U_{m1}\right|}^2={\left|{\displaystyle \sum _{i=1}^N{A}_n{Г}_{д}{e}^{-j\frac{4\pi x_{д}{f}_n}{V_{фn}}}{e}^{-2\alpha (f_n)x_{д}}{e}^{j\frac{4\pi f_n{x}_m}{V_{фn}}}}\right|}^2$$ , второе значение мощности отраженных сигналов U_m2 определяют после умножения (N-N₁) измеренных значений мощностей на (-A_n) по формуле $${\left|U_{m2}\right|}^2={\left|{\displaystyle \sum _{n=1}^{N_1}{A}_n{Г}_{д}{e}^{-j\frac{4\pi x_{д}{f}_n}{V_{фn}}}{e}^{-2\alpha (f_n)x_{д}}{e}^{j\frac{4\pi f_n{x}_m}{V_{фn}}}}\right|}^2$$ - $${\left|{\displaystyle \sum _{N_1}^N{A}_n{Г}_{д}{e}^{-j\frac{4\pi x_{д}{f}_n}{V_{фn}}}{e}^{-2\alpha (f_n)x_{д}}{e}^{j\frac{4\pi f_n{x}_m}{V_{фn}}}}\right|}^2$$ , причем значение номера N₁ выбирается в рамках 1<N₁<N таким образом, чтобы второе значение мощности в точке x_m имело минимальное значение, далее определяют значения мощности отраженных сигналов U_m как разность первого и второго значений мощностей, исключая отрицательные значения:
$${\left|U_m\right|}^2=\{\begin{array}{l}{\left|U_{m1}\right|}^2-{\left|U_{m2}\right|}^2{\left|U_m\right|}^2>0\\ 0{\left|U_m\right|}^2\le 0\end{array}$$ , и находят максимальное значение $${\left|U_m\right|}^2$$ .