СПОСОБ И СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПРОВОДА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2022 года по МПК H02J13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области радиотехники и дистанционного контроля проводов воздушных линий электропередачи высокого напряжения, и, может быть использовано для обеспечения непрерывного и дистанционного контроля и измерения температуры проводов воздушных линий электропередачи при реализации мероприятий по ограничению и оптимизации нагрузки на участках сети.

Уровень техники

Решение применяется для мониторинга и контроля температуры путем прямого ее измерения, и определения возможности эксплуатации оборудования при достижений оптимальных или критических значений температуры провода воздушных линий (ВЛ) электропередачи. В условиях повышения уровня требований к эффективности и надежности электроснабжения потребителей, сроков службы основного оборудования электрических сетей, актуальны проблемы: повышения пропускной способности линий электропередачи, предотвращения аварий из-за сверхнормативного провиса проводов ВЛ при высоких температурах, натяжения токопровода при низких температурах и гололедообразования на проводе воздушных линий. Указанные выше явления снижают запас прочности проводов, тросов и опор линий. На отдельных пролетах изменяются стрелы провеса проводов, провода сближаются, сокращаются изоляционные расстояния. В результате возникают обрывы проводов и поломки опор, сближения и схлестывания проводов с перекрытием изоляционных промежутков не только при перенапряжениях, но и при нормальном рабочем напряжении. Повышение температуры приводит к их отжигу и снижению механической прочности. Кроме того, при повышении температуры провода удлиняются и увеличиваются стрелы провеса. В результате могут быть нарушены габариты воздушной линии и изоляционные расстояния, т.е. снижены надежность и безопасность работы воздушной линии электропередачи.

Известен «Способ косвенного контроля температуры провода воздушных линий электропередачи», (см. [1] патент РФ №2534753, МПК H02H 5/04, опубл. 10.12.2014), заключающийся в том, что измеряют токи, протекающие по проводу, и с использованием результатов измерений рассчитывают мощность Р нагрева провода, выделяющуюся на участке провода длиной L, при этом величина L гораздо больше диаметра провода, отличающийся тем, что используют тестовый образец длиной L, который помещают на высоте подвеса контролируемого провода, причем тестовый образец имеет такие же физические характеристики, определяющие процесс охлаждения провода, как и контролируемый провод, имеет теплоемкость, равную теплоемкости провода длиной L, на тестовый образец подают мощность Р нагрева, равную рассчитанной мощности нагрева провода, измеряют температуру тестового образца, при этом температуру провода приравнивают к измеренной температуре тестового образца.

К недостатками способа можно отнести отсутствие возможности применения прямого метода измерения температуры, наличие погрешности, обусловленной различными размерами тестового образца и реальным токопроводом, трудоемкость и сложность измерения.

Известен «Способ контроля температуры провода воздушной линии электропередачи и устройство для его осуществления», (см. [2] патент РФ №2165122, МПК H02G 7/16, G08B 19/02, опубл. 10.04.2001), заключающийся в косвенном измерении температурного линейного расширения провода в пролете между натяжной и поддерживающей гирляндами изоляторов. Датчиками силы, подвешенными между траверсой опоры и гирляндой изоляторов, измеряют силы тяжести, соответственно натяжной и поддерживающей гирлянд изоляторов. По ним с помощью двухвходового нелинейного преобразователя формируют сигнал, пропорциональный температурному линейному расширению провода, который компенсируют на нулевое значение путем суммирования с сигналом от независимого источника при первой известной температуре провода. При второй известной температуре провода регулируют коэффициент усиления выходного усилителя, подключенного к вторичному измерительному прибору, так чтобы его показание соответствовало отклонению второй известной температуры от первой. После этого используют показания вторичного измерительного прибора в качестве значения температуры провода.

К недостаткам способа следует отнести относительную сложность определения температуры при обледенении, заключающуюся в трудности отличия изменения геометрических параметров провода от изменения температур от изменения геометрических параметров провода, вызванного гололедообразованием. Также, к недостаткам можно отнести сложность настройки системы, определяющую точность измерения температуры.

Известен «Способ косвенного контроля температуры провода воздушной линии электропередачи» (см. [3] патент РФ №2157040, МПК H02H 5/04, опубл. 27.09.2000), заключающийся в том, что измеряют, по меньшей мере, в три последовательных момента времени токи линии и рассчитывают с использованием результатов измерений параметры математической модели экспоненциального с постоянной времени нарастания температуры нагреваемого провода от начальной в начальный момент времени температуры до установившегося значения.

К недостаткам способа можно отнести отсутствие возможности применения прямого метода измерения температуры, сложности оперативного измерения и контроля температуры, трудностью передачи информации удаленному оператору.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является «Устройство оперативного мониторинга технического состояния высоковольтных линий электропередач» (см. [4] патент РФ №2574063, МПК H02J 13/00, опубл. 10.02.2016), содержащее установленные на каждой фазе линии электропередачи между двумя опорами по меньшей мере один датчик ускорений, которому присваивается свой адрес, определяющий его координаты и местоположения пролета ЛЭП, датчик температуры и датчик влажности, связанные со входами микропроцессора, в котором на основе сигналов от упомянутых датчиков формируется информация с указанием адреса пролета ЛЭП о начале налипания снега или образования льда на проводах ЛЭП, об амплитудах раскачивания проводов или обрыве провода. При этом выход микропроцессора соединен с приемопередатчиком, предназначенным для связи с диспетчерским пультом, а питание электронных схем устройства осуществляется блоком питания, выполненным в виде магнитопровода, установленного на высоковольтном проводе ЛЭП, служащем первичной обмоткой трансформатора, который снабжен вторичной обмоткой трансформатора, подающей питание на электронные схемы устройства.

К недостаткам прототипа можно отнести косвенный способ измерения температуры с помощью получения информации от датчиков ускорений, наличие связи датчиков со процессором посредством проводов, наличие источника питания датчика, погрешностью измерения при медленном нарастании гололеда на проводе. Местоположение выбранного контроллера может привести к перезагрузке контроллера вследствие помех или перегрева от токопровода, что может сделать невозможным измерение температуры.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является предотвращение аварийных ситуаций и оперативный автономный беспроводной контроль провода ВЛ за счет возможности спрогнозировать достижение заданных контрольных значений состояния проводов и тросов для выдачи соответствующих команд для принятия необходимых мер.

Задача изобретения также заключается в получении по радиоканалу информации системами автоматического управления и противоаварийной автоматики информации о состоянии ВЛ, заключающейся в информации о температуре на проводе ВЛ. Информация от датчиков температуры позволяет предотвратить провисание провода при перегреве, натяжение провода при снижении температуры, при отложении гололеда, при гололедных явлениях. На основе полученной информации осуществляется отслеживание и прогноз состояния провода ВЛ. Полученная информация, обрабатывается считывающим устройством и передается в систему диагностики, автоматизированным системам управления, противоаварийной автоматики по беспроводной сети на удаленный сервер в Промышленной или Интернет сети с помощью контроллера сбора и передачи данных, находящихся в шкафу системы, установленном на опоре.

Техническим результатом является уменьшение времени задержки получения информации о состоянии токопровода и повышение достоверности полученных данных, повышение надежности работы датчиков, увеличение точности измерения состояния провода без использования элементов электропитания на проводе, упрощение в обслуживании воздушных линий электропередач.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет способа автоматического контроля провода воздушных линий электропередачи включающего сбор информации о состоянии провода ВЛ, обработку полученной информации и передачу обработанной информации оператору на удаленный сервер, при этом сбор информации о состоянии провода ВЛ осуществляют посредством, по меньшей мере, трех считывающих устройств, каждый из которых формирует и отправляет опросный сигнал в диапазоне частот по радиоканалу, с помощью приемопередающей антенны, на, по меньшей мере, один беспроводной радиочастотный пассивный акустоэлектронный датчик температуры, установленный на проводе ВЛ, при этом каждое считывающее устройство опрашивает свой, по меньшей мере, один датчик температуры, внутри которого формируется ответный сигнал и вносится модуляция сигнала, которая несет информацию о температуре, далее отраженный от пассивного акустоэлектронного датчика температуры опросный сигнал приходит обратно к соответствующему считывающему устройству, обработку полученной информации осуществляют также считывающими устройствами, которые преобразуют информацию о модуляции отраженного от датчиков сигнала в информацию об изменении температуры провода ВЛ, передачу обработанной информации осуществляют посредством шкафа системы, где встроенный контроллер собирает от каждого из трех считывающих устройств информацию о температуре и передает данные по беспроводной сети оператору на удаленный сервер.

Технический результат также достигается за счет системы автоматического контроля провода воздушных линий (ВЛ) электропередачи, содержащей, по меньшей мере, три беспроводных радиочастотных пассивных акустоэлектронных датчика температуры, закрепленных на проводе ВЛ; по меньшей мере, три считывающих устройства о температуре, соединенных между собой интерфейсным кабелем и интегрированных в корпус антенны, который размещен на опоре на расстоянии от датчиков температуры; шкаф системы, содержащий внутри себя контроллер сбора и передачи данных по беспроводной сети, блок питания, включающий внутри себя резервный заряжаемый аккумулятор с помощью силового кабеля, от которого также может запитываться вся система от внешнего источника напряжения, при этом основным источником питания является автономный источник электроэнергии, установленный вне шкафа на опоре ВЛ, при этом считывающее устройство представляет собой электронный модуль.

Технический результат также достигается за счет того, что электронный модуль считывающего устройства содержит блок приема и передачи, который соединен с генератором линейно частотно модулированного сигнала, который соединен со смесителем, смеситель подключен к фильтру, а фильтр подключен к аналого-цифровому преобразователю, который в свою очередь соединен с сигнальным процессором, подключенным к блоку преобразователю интерфейса, имеющего разъем для подключения внешнего потребителя информации.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Система автоматического контроля токопровода воздушных линий электропередач.

Фиг. 2 - Конструкция беспроводного радиочастотного пассивного датчика температуры.

Фиг. 3 - Структурная блок-схема электронного модуля с антенной интегрированного в корпус считывающего устройства датчиков температуры.

На фигурах обозначены следующие позиции:

поз. 1 - Считывающее устройство акустоэлектронных датчиков температуры;

поз. 2 - Контроллер сбора и передачи данных по беспроводной сети;

поз. 3 - Блок питания;

поз. 4 - Силовой кабель;

поз. 5 - Беспроводной радиочастотный пассивный акустоэлектронный датчик температуры;

поз. 6 - Интерфейсный кабель;

поз. 7 - Провод ВЛ;

поз. 8 - Автономный источник электроэнергии;

поз. 9 - Опора ВЛ электропередач;

поз.10 - Шкаф системы;

поз. 11 - Крепежные болты с гайками;

поз. 12 - Пластина;

поз. 13 - Основание;

поз. 14 - Чувствительный элемент;

поз. 15 - Контакты чувствительного элемента;

поз. 16 - Крепежная прокладка;

поз. 17 - Антенна датчика температуры;

поз. 18 - Корпус приемопередающей антенны;

поз.19 - Приемопередающая антенна считывающего устройства;

поз. 20 - Электронный модуль считывающего устройства;

поз. 21 - ЛЧМ генератор;

поз. 22 - Блок приема и передачи;

поз.23 - Смеситель;

поз. 24 - Фильтр;

поз. 25 - АЦП;

поз. 26 - Сигнальный процессор;

поз. 27 - Блок преобразователь интерфейса.

Осуществление изобретения

Система автоматического контроля состояния провода воздушной линии электропередач и ее элементы представлены на фигурах 1-3.

На Фиг. 1 показана схема установки компонентов системы, позволяющая реализовать беспроводной мониторинг температуры токопровода воздушных линий электропередачи, что делает возможным осуществление прогноза состояния провода воздушной линии электропередачи конечным оператором на основе полученной от считывающих устройств информации и предотвратить провисание провода при перегреве, натяжение провода при снижении температуры и образовании гололеда. Каждый из, по меньшей мере, трех пассивных акустоэлектронных датчиков температуры поз.5 закреплен на проводе ВЛ поз.7. Каждый из, по меньшей мере, трех считывающих устройств поз. 1 установлен на опору поз.9 над точкой установки пассивного акустоэлектронного датчика температуры поз.5. Считывающие устройств могут быть расположены около датчиков температуры. Считывающее устройство поз.1 датчиков температуры поз.5, представляет собой электронный модуль поз.20 и является интегрированным в корпус антенны поз.18, где также установлена антенна считывающего устройства датчиков температуры поз.19. Шкаф системы поз.10, содержит внутри себя контроллер сбора и передачи данных по беспроводной сети поз.2, блок питания поз.3, включающий внутри себя также резервный заряжаемый аккумулятор с помощью силового кабеля поз.4. Основным источником питания для всех считывающих устройств является автономный источник электроэнергии (например, солнечная батарея, ветрогенератор) поз.8, устанавливаемый отдельно вне шкафа на опоре поз.9. Кроме того, система может запитываться от внешнего источника энергии с помощью силового кабеля поз.4.

На Фиг. 2 показана конструкция пассивного акустоэлектронного датчика температуры. Чувствительный элемент поз.14 соединен своими контактами поз.15 с антенной поз.17. Антенна поз.17, чувствительный элемент поз.14, основание поз.13, крепежная прокладка поз.16, пластина поз.12 соединены, как показано на Фиг. 2, с помощью болтов с гайками поз.11 так, что зажимают провод ВЛ поз.7.

На Фиг. 3 показана структурная схема электронного модуля поз.20 интегрированного в корпус антенны поз.18, используемого для считывания пассивных датчиков температуры поз.5. Электронный модуль поз.20 датчиков температуры содержит приемопередающую антенну поз.19, соединенную с блоком приема и передачи поз.22, который в свою очередь соединен с генератором линейно частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала поз.21. Генератор ЛЧМ поз.21 соединен со смесителем поз.23, смеситель поз.23 подключен к фильтру поз.24, а фильтр подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) поз.25, соединенному с сигнальным процессором поз.26, подключенный к блоку преобразователю интерфейсов поз.27, имеющему разъем для подключения внешнего потребителя информации.

Описанная система работает следующим образом. Каждое из трех устройств для считывания информации о температуре с датчиков температуры поз.5, установленных на опоре поз.9, формирует сигнал опроса в диапазоне частот, передаваемый по радиоканалу с помощью приемопередающей антенны поз.19, который приходит к опрашиваемому датчику температуры поз.5, установленного на провод ВЛ поз.7. Приходящий опросный сигнал отражается от пассивного датчика температуры, где при формировании отражении вносится модуляция сигнала, которая несет информацию о его температуре, и далее отраженный сигнал приходит обратно к считывающему устройству поз.5, где поступает на антенну поз.19. Информация о температуре позволяет определить провис провода, натяжение провода, и максимально допустимую нагрузку линии электропередачи. Полученный сигнал поступает на блок приема и передачи поз.22, переключенного в режим приема и далее сигнал поступает в блок смесителя поз.23, к которому также подключен ЛЧМ генератор поз.21. С помощью блока смесителя принимаемого и передаваемого сигнала получается сигнал на резонансной частоте, который проходит через фильтр поз.24 к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) поз.25, где оцифровывается и поступает к сигнальному процессору поз.26, осуществляющему обработку полученного сигнала и вычисляющего значение температуры. Блок преобразователя поз.27 от каждого из трех считывающих устройств передает информацию далее в шкаф системы поз.10, где контроллер сбора и передачи данных по беспроводной сети поз.2 передает приходящий оператору на удаленный сервер в промышленной или интернет сети информацию о температуре датчиков. Шкаф системы поз.10 содержит блок питания поз.3, содержащий резервный источник энергии в виде заряжаемого аккумулятора через кабель силовой поз.4. Основным источником энергии для всех считывателей является автономный источник электроэнергии поз.8, устанавливаемый вне шкафа, отдельно на опоре поз.9. Дополнительно, система может запитываться с помощью силового кабеля поз.4.

Причинно-следственная связь.

Технический результат достигается тем, что в состав системы входят: как минимум три беспроводных радиочастотных пассивных датчиков температуры, установленных на токопровод воздушных линий (ВЛ) электропередач, три высокочастотных устройства для считывания информации о температуре с датчиков температуры, один контроллера сбора и передачи данных. Считыватель производит опрос (считывание) по радиоканалу пассивных акустоэлектронных датчиков температуры. Контроллер сбора и передачи данных передает показания температуры на удаленный сервер в Промышленной или Интернет сети. Таким образом, система осуществляет оперативный автономный контроль состояния провода ВЛ, то есть получает информацию о температуре провода от беспроводных радиочастотных пассивных датчиков температуры (Фиг. 1).

Беспроводные радиочастотные пассивные датчики температуры, не требующие источников питания и устойчивые к внешним климатическим воздействиям, к высоким скачкам тока провода ВЛ и напряжениям токопровода ВЛ, обладающие длительным сроком службы, измеряют температуру в широком диапазоне температуры и представляют собой акустоэлектронные пассивные радиочастотные устройства, содержащие чувствительный элемент с контактами, подключенными к внешней антенне, при этом, по меньшей мере, один датчик устанавливается на токопровод под соответствующим считывающим устройством (Фиг. 2).

Считывающие устройства для беспроводных пассивных датчиков температуры, закрепленные на опоре, осуществляют оперативный опрос датчиков, обработку и передачу информации об измеренных величинах и прогнозировании аварийных ситуаций в центр автоматической обработки с помощью контроллера сбора и передачи данных. Каждый считыватель интегрирован в корпус приемопередающей антенны, с помощью которой осуществляется опрос и прием информации по радиоканалу от датчиков. (Фиг 3). Три считывающих устройства, соединены между собой интерфейсом, по которому к считывателям подключен контроллер сбора и обработки информации, осуществляющего передачу информации оператору по беспроводной сети. Считывающие устройства запитываются от блока питания, составные блоки которого находятся в шкафу системы. Основным источником энергии в блоке питания является автономный источник питания (солнечная батарея, ветрогенератор), устанавливаемый отдельно на опоре. Дополнительно, считыватели могут запитываться от внешнего источника питания с помощью силового кабеля. Блок питания также содержит резервный заряжаемый через силовой кабель аккумулятор.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - уменьшение времени задержки получения информации о состоянии токопровода и повышение достоверности полученных данных. Способ включает сбор информации о состоянии провода тремя считывающими устройствами, отправляющими опросный сигнал по радиоканалу, на как минимум один беспроводной радиочастотный пассивный акустоэлектронный датчик температуры, установленный на проводе ВЛ. У каждого считывающего устройства имеется свой как минимум один датчик температуры, где формируется модулированный ответный сигнал, несущий информацию о температуре. Считывающие устройства обрабатывают отраженный от пассивного акустоэлектронного датчика температуры опросный сигнал, преобразуя информацию о модуляции ответного сигнала в информацию об изменении температуры провода ВЛ. Встроенный в шкаф системы контроллер собирает от каждого из трех считывающих устройств информацию о температуре и передает данные по беспроводной сети оператору на удаленный сервер. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ автоматического контроля провода воздушных линий (ВЛ) электропередачи, включающий сбор информации о состоянии провода ВЛ, обработку полученной информации и передачу обработанной информации оператору на удаленный сервер, отличающийся тем, что

• сбор информации о состоянии провода ВЛ осуществляют посредством по меньшей мере трех считывающих устройств, каждое из которых формирует и отправляет опросный сигнал в диапазоне частот по радиоканалу, с помощью приемопередающей антенны, на соответствующий ему беспроводной радиочастотный пассивный акустоэлектронный датчик температуры, установленный на проводе ВЛ, каждое считывающее устройство устанавливают на опору над точкой установки пассивного акустоэлектронного датчика температуры, внутри которого формируется ответный сигнал и вносится модуляция сигнала, которая несет информацию о температуре, далее отраженный от пассивного акустоэлектронного датчика температуры опросный сигнал приходит обратно к соответствующему считывающему устройству,

• считывающие устройства обрабатывают полученную информацию, преобразуя информацию о модуляции отраженного от датчиков сигнала в информацию об изменении температуры провода ВЛ, и передают обработанную информацию в шкаф системы, где встроенный контроллер собирает от каждого из по меньшей мере трех считывающих устройств информацию о температуре и передает данные по беспроводной сети оператору на удаленный сервер.

2. Система автоматического контроля провода воздушных линий (ВЛ) электропередачи, содержащая:

• по меньшей мере три беспроводных радиочастотных пассивных акустоэлектронных датчика температуры, закрепленных на проводе ВЛ,

• по меньшей мере три считывающих устройства о температуре, соединенных между собой интерфейсным кабелем и интегрированных в корпус антенны, при этом каждое считывающее устройство установлено на опору над точкой установки пассивного акустоэлектронного датчика температуры,

• шкаф системы, содержащий внутри себя контроллер сбора и передачи данных по беспроводной сети, а также блок питания, содержащий резервный источник энергии в виде аккумулятора, заряжаемого через силовой кабель от внешнего источника напряжения, при этом основным источником питания является автономный источник электроэнергии, установленный вне шкафа на опоре ВЛ,

• при этом считывающее устройство представляет собой электронный модуль.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что электронный модуль считывающего устройства содержит блок приема и передачи, который соединен с генератором линейно-частотно-модулированного сигнала, который соединен с со смесителем, смеситель подключен к фильтру, а фильтр подключен к аналого-цифровому преобразователю, который в свою очередь соединен с сигнальным процессором, подключенным к блоку-преобразователю интерфейса, имеющего разъем для подключения внешнего потребителя информации.