Содержание к диссертации
Введение
1. Гололедообразование на проводах воздушных ЛЭП 17
1.1. Общая характеристика гололедообразования на воздушных ЛЭП 17
1.2. Методы и устройства обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП
1.2.1. Методы и устройства прямых измерений для обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП 22
1.2.2. Методы и устройства косвенных измерений для обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП 24
1.3. Реализации локационных устройств для ЛЭП 26
Выводы 30
2. Методика цифровой обработки рефлектограмм вч тракта лэп в условиях гололедообразования на ее проводах 32
2.1. Обнаружение гармонических помех 35
2.2. Подавление гармонических помех 38
2.3. Анализ отраженных локационных сигналов
2.3.1. Частотное и временное распределения мощности отраженных локационных сигналов 42
2.3.2. Частотно-временное распределение Фурье мощности отраженных локационных сигналов 44
2.3.3. Частотно-временное распределение Вигнера мощности отраженных локационных сигналов 2.4. Выделение узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов 50
2.5. Учет групповой скорости распространения электромагнитных волн в ВЧ тракте ЛЭП при гололедообразовании 53
Выводы 55
3. Предельная чувствительность локационного приемника, подключенного к вч тракту лэп, и стабильность рефлектограмм вч тракта лэп, а также погрешности определения затухания и запаздывания отраженных локационных сигналов 57
3.1. Предельная чувствительность локационного приемника, подключенного к ВЧ тракту ЛЭП 58
3.2. Стабильность рефлектограмм ВЧ тракта ЛЭП 64
3.3. Погрешности определения затухания и запаздывания отраженных локационных сигналов 71
Выводы 75
4. Пространственно-временные вариации появления гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП 77
4.1. Пространственное расположение пунктов контроля гололедообразования локационным методом
4.2. Экспериментальные вариации затухания и запаздывания отраженных локационных импульсов при гололедообразовании 81
4.3. Пространственно-временные особенности процесса гололедообразования на проводах ЛЭП 84
4.4. Разделение ЛЭП на отдельные локационные участки 92
Выводы 94
5. Модель влияния различных типов гололедных отложений на распространение локационных сигналов по ВЧ трактам воздушных ЛЭП 96
5.1. Механическое влияние гололедных отложений на распространение сигналов по ЛЭП 97
5.2. Электромагнитное влияние гололедных отложений на распространение сигналов по ЛЭП 1 5.2.1. Исследование диэлектрической проницаемости льда 106
5.2.2. Исследование диэлектрической проницаемости гололедных смесей
5.3. Методика расчета толщины эквивалентной стенки различных типов голодных отложений по изменениям затухания и запаздывания локационных сигналов 115
5.4. Экспериментальная проверка модели 117
5.5. Теоретические границы вариаций затухания и запаздывания локационных сигналов при гололедообразовании 120
5.6. Косвенные погрешности определения массы гололедных отложений 121
Выводы 123
6. Алгоритм и программное обеспечение многоканального локационного метода контроля гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП 125
6.1. Алгоритм метода 125
6.2. Программное обеспечение метода
6.2.1. Измерение рефлектограмм 129
6.2.2. Обработка рефлектограмм 131
6.2.3. Интеграция в программно-технический комплекс «ОИК Диспетчер» 134 Выводы 137
Заключение 139
Список сокращений 142
Список основных публикаций автора 143
Библиографический список 148
- Методы и устройства прямых измерений для обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП
- Частотно-временное распределение Фурье мощности отраженных локационных сигналов
- Стабильность рефлектограмм ВЧ тракта ЛЭП
- Экспериментальные вариации затухания и запаздывания отраженных локационных импульсов при гололедообразовании
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В зимний период воздушные линии электропередачи (ЛЭП) подвержены образованию гололедных отложений на проводах. Сверхнормативные гололедные отложения могут являться причиной крупных аварий, вызывая обрывы проводов и разрушения опор. Зона действия аварий может охватывать несколько регионов, обуславливая большие финансово-материальные потери.
В настоящее время для автоматизации контроля гололедной нагрузки используются весовые датчики, которые являются точечными и измеряют значения гололедной нагрузки в одном пролете. Но при этом гололед не обнаруживается на других пролетах, где он может вызвать аварию. Во избежание этой ситуации требуется контролировать линию по всей длине, с использованием большого количества датчиков, что не всегда технически выполнимо.
Поэтому, несомненно, актуален предлагаемый локационный метод, который является косвенным и интегральным, позволяет обнаруживать гололедные отложения по всей длине воздушной ЛЭП. Импульсный сигнал, зондирующий высокочастотный (ВЧ, 20–1000 кГц) тракт воздушной ЛЭП, является и датчиком, и носителем информации о гололедных отложениях на ее проводах. Поэтому имеется возможность расположить аппаратуру в помещении подстанции (т.е. не требуется вмешательства в конструкцию ЛЭП) и контролировать одним устройством все ЛЭП, отходящие от этой подстанции.
Большой вклад в развитие фундаментальной теории распространения электромагнитных волн по воздушным ЛЭП, и в том числе в условиях гололедообразова-ния на проводах воздушных ЛЭП, внесли Костенко М.В., Перельман Л.С., Шкарин Ю.П., Микуцкий Г.В., Скитальцев В.С., Ишкин В.Х., Цитвер И.И., Шимко Г.И., Книжник Р.Г. и др. Проблемам предотвращения и ликвидации гололедных аварий в электрических сетях посвящены работы российских ученых из НТЦ ФСК ЕЭС (в том числе ВНИИЭ, г. Москва), ЭНИН (г. Москва), ЮРГПУ (НПИ, г. Новочеркасск), УГАТУ (г. Уфа) и др., а также ученых из других стран мира.
Исследования применения локационного зондирования ЛЭП видеоимпульсами (длительностью 1-10 мкс) для диагностики состояния ЛЭП проводятся в Казанском государственном энергетическом университете (КГЭУ) с 2000 г. под научным руководством Минуллина Р.Г. Были разработаны исследовательские устройства и промышленный образец (2012 г.) аппаратуры локационного мониторинга гололеда. Применяемая при этом методика обнаружения наличия гололедных отложений является качественной и не дает количественной информации, необходимой для принятия оперативных решений о необходимости их плавки.
Диссертационная работа является развитием предыдущих работ, выполненных в КГЭУ, и заключается в разработке метода измерения количественных
оценок гололедной нагрузки на ЛЭП для определения необходимости и очередности плавки гололедных отложений с целью предотвращения аварий.
Объект исследования: процесс образования различных типов гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП.
Предмет исследования: влияние различных типов гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП на распространение широкополосных локационных сигналов по ВЧ трактам воздушных ЛЭП.
Цель работы: разработать многоканальный локационный метод контроля гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП.
Основные задачи работы
-
Критически проанализировать методы и устройства обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП, обосновать целесообразность использования косвенного локационного метода определения гололедной нагрузки по изменению локационных сигналов с учетом его преимуществ.
-
Исследовать особенности цифровой обработки и интерпретации широкополосных отраженных локационных сигналов в условиях гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП. Разработать методику автоматической цифровой обработки рефлек-тограмм ВЧ тракта ЛЭП в условиях гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП для измерения затухания и запаздывания узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов, являющихся первичными информационными параметрами косвенного метода измерения толщины стенки гололедных отложений.
-
Исследовать предельную чувствительность локационного устройства, подключенного к ВЧ тракту ЛЭП; стабильность рефлектограмм ВЧ тракта ЛЭП при его локационном зондировании; а также погрешности измерения затухания (амплитуды) и запаздывания отраженных локационных сигналов. Произвести метрологическую оценку этих характеристик локационной аппаратуры в режиме измерения затухания и запаздывания отраженных сигналов в ВЧ тракте ЛЭП.
-
Исследовать и описать закономерности пространственно-временных вариаций появления гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП, полученных экспериментальным путем.
-
Разработать математическую модель влияния различных типов гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП на распространение узкополосных составляющих широкополосных локационных сигналов по ВЧ трактам воздушных ЛЭП. Разработать методику решения обратной задачи расчета толщины эквивалентной стенки гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП по изменениям затухания и запаздывания узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов в ВЧ тракте ЛЭП. Оценить динамический диапазон изменений затухания и запаздывания отраженных локационных сигналов в условиях го-лоледообразования и их соотношение с предельной чувствительностью локационного устройства, подключенного к ВЧ тракту ЛЭП, а также оценить погрешности косвенного измерения массы гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП.
-
Разработать по результатам исследований алгоритм и программное обеспечение многоканального локационного метода контроля гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП, а также произвести их интеграцию в систему диспетчерского контроля состояния ЛЭП подстанции.
Методы исследований
Для решения поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы. Использовались результаты локационных исследований процессов гололедообразования на ЛЭП подстанций «Кутлу Букаш» и «Бугульма-110» (Татарстан) в течение 2009-2015 гг., а также на ЛЭП подстанций «Шкапово» (Башкортостан) и «Баксан» (Северный Кавказ) в течение 2013-2015 гг.
Измерения осуществлялись с помощью 4-х многоканальных локационных устройств на 16-и действующих ЛЭП длиной 10-75 км напряжением 35-330 кВ в автоматическом режиме через каждые 10-30 минут. Было зарегистрировано более 200 000 рефлектограмм.
Эффективность методики обработки рефлектограмм проверялась при помощи натурных экспериментов. Метрологические характеристики аппаратуры исследовались статистическими методами. Исследование влияния различных типов гололедных отложений на параметры сигналов производилось с помощью математического моделирования с последующей экспериментальной проверкой.
Научная новизна работы
-
Впервые разработана методика автоматической цифровой обработки ре-флектограмм ВЧ тракта ЛЭП для расчета затухания и запаздывания узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов в условиях гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП.
-
Впервые разработаны математическая модель влияния различных типов гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП на распространение узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов в ВЧ тракте ЛЭП и методика решения обратной задачи по измерению толщины эквивалентной стенки различных типов гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП по изменениям затухания и запаздывания узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов в ВЧ тракте ЛЭП.
-
Впервые разработаны алгоритм и программное обеспечение многоканального локационного метода контроля гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП.
Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью результатов локационного метода с показаниями, полученными с помощью весовых датчиков; непротиворечивостью экспериментальных результатов, выводов и моделей известным теоретическим положениям и данным работ других исследователей в этой области.
Соответствие паспорту специальности
Работа соответствует паспорту специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.
Разрабатываемый многоканальный локационный метод контроля гололедо-образования является развитием локационного метода обнаружения наличия го-лоледообразования на проводах, объектом исследования является природный процесс гололедообразования на конструкциях воздушных ЛЭП, что соответствует пункту 1 паспорта специальности «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».
Алгоритмическая и программная реализация метода соответствует пункту 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».
Разработка и внедрение реализованного программного обеспечения метода в локационную аппаратуру соответствует пункту 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».
Теоретическая значимость результатов работы
Разработанная математическая модель влияния различных типов гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП на распространение узкополосных составляющих широкополосных локационных сигналов по ВЧ трактам воздушных ЛЭП дополняет фундаментальную теорию распространения электромагнитных волн по воздушным ЛЭП и расширяет представления о распространении сигналов по ЛЭП при наличии различных типов гололедных отложений на ее проводах.
Практическая значимость и реализация результатов работы
-
Разработанная методика автоматической цифровой обработки рефлектограмм ВЧ тракта ЛЭП позволяет измерять затухание и запаздывание узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов в условиях гололедо-образования на проводах воздушных ЛЭП. Результаты исследования эффективности различных методов частотно-временного анализа рефлектограмм могут быть использованы также для задач определения места повреждения ЛЭП локационным методом.
-
Полученные оценки чувствительности локационного устройства, подключенного к ВЧ тракту ЛЭП, стабильности рефлектограмм ВЧ тракта ЛЭП при его локационном зондировании, а также оценки погрешностей измерения затухания (амплитуды) и запаздывания отраженных локационных сигналов в ВЧ тракте ЛЭП необходимы для оценки метрологических характеристик локационного устройства и метода по измерению толщины эквивалентной стенки гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП.
-
Описанные закономерности пространственно-временных вариаций голо-ледообразования на проводах ЛЭП обеспечивают эффективное применение разрабатываемого многоканального метода контроля гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП с учетом местности и интенсивности гололедообразования.
-
Разработанные математическая модель влияния различных типов гололедных отложений на распространение узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов в ВЧ трактах ЛЭП и методика расчета толщины эквивалентной стенки различных типов гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП по изменениям затухания и запаздывания отраженных локационных сигналов в ВЧ тракте ЛЭП также могут применяться в других высокочастотных методах контроля гололедообразования.
-
Результаты исследования формализованы в виде алгоритма и программного обеспечения многоканального локационного метода контроля гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП. При этом происходит измерение рефлектограмм, их обработка, а также визуализация и архивация показаний. Произведена интеграция программного обеспечения в диспетчерский комплекс «ОИК Диспетчер», который обеспечивает
диспетчера подстанции своевременной информацией о размерах и интенсивности нарастания гололедных отложений на проводах контролируемых воздушных ЛЭП, что способствует принятию им оперативных решений о необходимости и очередности плавки гололедных отложений для предотвращения возможных гололедных аварий.
Разработанное программное обеспечение измерения и обработки рефлекто-грамм ВЧ трактов воздушных ЛЭП внедрено в постоянную эксплуатацию в филиале ОАО «Сетевая Компания» «Бугульминские электрические сети».
На защиту выносятся
-
Методика автоматической цифровой обработки рефлектограмм локационного зондирования ВЧ трактов ЛЭП в условиях гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП для измерения затухания и запаздывания узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов.
-
Математическая модель влияния различных типов гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП на распространение узкополосных составляющих широкополосных локационных сигналов в ВЧ трактах воздушных ЛЭП. Методика решения обратной задачи оценки толщины эквивалентной стенки гололедных отложений на проводах воздушных ЛЭП по изменениям затухания и запаздывания узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов в ВЧ тракте ЛЭП.
-
Алгоритм и программное обеспечение многоканального локационного метода контроля гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП, а также его интеграция в систему диспетчерского контроля состояния ЛЭП подстанции.
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись и докладывались на: VI – IX молодежных научно-практических конференциях «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике» (г. Казань, 2011-2014 гг.); VII – IX молодежных Международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2012-2014 гг.); VII ежегодной Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); XIX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2013 г.); научно-технической конференции «Технологическое развитие электросетевого комплекса Средней Волги» (г. Самара, 2013 г.); IV Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Новочеркасск, 2013 г.); IX, X Международных научно-технических конференциях «Энергия-2014(2015)» (г. Иваново, 2014, 2015 гг.); Национальном конгрессе по энергетике (г. Казань, 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Гололедно-ветровые явления на воздушных линиях электропередачи» в рамках XIV российского энергетического форума «Зеленая энергетика» (г. Уфа, 2014 г.); XVI Международной конференции по атмосферному обледенению конструкций IWAIS (Швеция, г. Упсала, 2015 г.).
Диссертационная работа выполнялась при поддержке ПАО «ФСК ЕЭС» (договор № КГЭУ-2011/1 от 10.05.2011 г.), ОАО «Сетевая компания» (договор № 2008/Д 251/0830 от 17.11.2008 г.), ОАО «МЭС Юга», ООО «Башкирэнерго», ОАО «НПО «Радиоэлектроника» им. В.И. Шимко», ООО «Промэнерго», Академии Наук Республики Татарстан (гос. контракт № 09-21/2013 (Г)), Совета по
грантам Президента РФ (стипендия № СП-2078.2015.1), Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 15-48-02243).
Публикации
Основные положения по теме диссертации опубликованы в 28 печатных работах, включая 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, 1 патент на полезную модель, 1 отчет о НИОКР и 14 работ в сборниках материалов конференций, в том числе в зарубежных – 3.
Личный вклад автора
Автор производил технические расчеты, лабораторные и полевые измерения, выполнил анализ экспериментальных данных и их интерпретацию, моделирование, участвовал в обсуждении и описании полученных результатов.
В работе используются полученные автором результаты анализа и интерпретации экспериментальных данных за период 2009-2011 гг. (измеренных без участия автора) и за период 2011-2015 гг. (измеренных с участием автора).
Многие публикации написаны в соавторстве, так как сложные экспериментальные измерения и обработку большого массива полученных данных невозможно провести единолично.
Структура и объем диссертации
Методы и устройства прямых измерений для обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП
Наиболее объективными являются методы прямых измерений, определяющие механическое напряжение проводов или вес проводов воздушной линии, также сюда можно отнести методы контроля угла провиса проводов [37-42]. Датчики могут устанавливаться последовательно с гирляндой изоляторов на анкерных или промежуточных опорах, либо непосредственно на провода. Вес провода для конкретной воздушной линии определяется собственными нагрузками (масса провода) и внешними нагрузками от гололеда и ветра, от ветровых порывов, как правило, производится отстройка.
Измерение гололедных воздействий осуществляется с помощью электромеханических датчиков. Получаемые данные передаются на диспетчерский пункт. В качестве канала связи могут использоваться радио, GSM и спутниковые модемы или высокочастотный (ВЧ) тракт и др. Датчики, передающие значения веса, позволяют оценивать динамику гололедообразования, а также определять момент начала и контролировать плавку гололедных отложений. В настоящее время системы контроля гололеда, основанные на весовом методе, снабжаются рядом второстепенных датчиков: температуры, влажности, скорости, направления ветра и другими. Такой набор датчиков позволяет прогнозировать динамику гололедообразования. Кроме того, для визуального контроля в состав аппаратуры может включаться веб-камера.
Датчики угла наклона устанавливаются на провод возле опоры и определяют угол наклона провода вблизи точки крепления. Также, кроме угла наклона могут измеряться температура провода и окружающей среды, направление и сила ветра. При образовании отложений увеличивается вес провода, что вызывает изменение угла наклона провода. Технически измерение производится с помощью микроэлектромеханических датчиков. Недостатки: 1) локальность действия датчика (контролируется образование гололедных отложений в одном пролете ЛЭП); 2) необходимость организации канала и осуществления передачи данных на диспетчерский пункт.
Как было указано выше метод весового контроля является наиболее объективным, однако недостатком является то, что один датчик измеряет напряжение в одном анкерном пролете или вес одного промежуточного пролета (двух промежуточных полупролетов) ЛЭП. Но при этом гололед не обнаруживается на других пролетах, где он может вызвать аварию, и для контроля всей линии может потребоваться установка большого количества датчиков, и для каждого из них должен быть организован канал связи для сбора информации, кроме того при монтаже датчиков необходимо вносить изменения в конструкцию ЛЭП.
В настоящее время наиболее известны системы весовых датчиков, разработанные «ЮРГПУ (НПИ)», «СКБПиСА», НТЦ «Инструментмикро», ОАО «МРСК Юга». Имеются подобные системы, выпускаемые ООО «Новатэк-групп» (г. Уфа). Также известны система раннего обнаружения гололеда «САТ-1» (США), основанная на измерении напряжения (тяжения) проводов в анкерном пролете, и система мониторинга высоковольтных линий электропередачи ASTROSE (Германия), основанная на измерении угла провиса проводов в пролете. Методы и устройства косвенных измерений для обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП
Датчик, измеряющий затухание ВЧ тракта. Принцип работы основан на измерении затухания ВЧ сигналов аппаратуры связи и телемеханики. Два устройства располагаются в начале и конце линии. При увеличении затухания выдается предупреждение о начале гололедообразования. Этот принцип реализован в виде второстепенной функции в ВЧ аппаратуре приемо-передачи «Линия-Ц» [43]. Недостатком является необходимость использования двух полукомплектов, и соответственно невозможность контроля одним устройством нескольких ЛЭП.
Существует большое количество предложений по реализации локационного обнаружения и контроля гололедообразования на проводах, рассмотрим основные из них. Принцип заключается в отправке импульсного сигнала в контролируемую линию и последующем приеме импульса, отраженного от неоднородностей волнового сопротивления ЛЭП. Аппаратура подключается [44] к существующему или специально организованному ВЧ тракту с помощью конденсатора связи (КС), фильтра присоединения (ФП) и ВЧ заградителя (ВЧЗ).
При гололеде со стенкой 10 см волновое сопротивление ЛЭП с проводами АС-120 снижается примерно с 460 до 300 Ом [31]. Эта неоднородность линии частично отражает локационный радиоимпульс импульс от границ обледенения [45]. Эти отражения фиксируются и по их величине может быть оценено изменение волнового сопротивления и количество гололедных отложений на проводе. Недостатком этого способа является невозможность определения толщины стенки гололеда на ЛЭП.
Линия электропередачи с контрольным участком [46]. В линию, выполненную проводом 1 включается участок, выполненный проводом 2 с погонным сопротивлением, превышающим удельное сопротивление провода 1. При отложении гололеда на проводах 1 они будут образовываться, а на проводе 2 из-за большего подогрева отложений не будет. И локационным методом будет определяться наличие и величина разности высокочастотных характеристик проводов 1 и 2. Недостатком такого датчика является необходимость изменения конструкции ЛЭП, ведущее к уменьшению допустимой величины тока по ЛЭП. Датчик разности затухания в междуфазных и внутрифазных каналах [47]. Принцип работы основан на том, что при образовании гололедных отложений затухание в междуфазном канале значительно меньше затухания во внутрифазном канале. Таким образом, разность этих значений будет характеризовать количество гололедных отложений. Однако расщепление проводов производится для напряжений 330 кВ и выше. Кроме того, необходимо использовать или организовывать два ВЧ тракта по ЛЭП. Недостатком данного метода является ограничение применимости.
Устройство для обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах ЛЭП [48] содержит двухчастотные передатчик и приемник с двумя входными фильтрами и двумя усилителями. Передатчик и приемник установлены на одном конце ЛЭП. Формирователя зондирующих радиоимпульсов управляет длительностью и частотой заполнения радиоимпульса устройства. Каждый зондирующий радиоимпульс состоит из двух различных частот заполнения, переходящих одна в другую без разрыва фазы. При гололедообразовании происходит изменение различные составляющие радиоимпульса претерпевают различные изменения. По превышению отношением затуханий на разных частотах заданного уровня обнаруживаются гололедные отложения на проводах. Затем при наличии многолетних статистических данных о месте образования гололедных отложений определяется длина участка с гололедными отложениями на проводах. Недостатками способа и устройства, его реализующего, являются низкое быстродействие и сложность.
Способ обнаружения гололедных образований на проводах ЛЭП [49] включает в себя излучение и прием широкополосных (около 1 Мгц, с времячастотной модуляцией) зондирующих импульсов в ВЧ тракт ЛЭП. Принятые импульсы подвергаются согласованной фильтраций несколькими фильтрами, частотные характеристики которых учитывают затухание соответствующих зондирующих импульсов на разных частотах с учетом температуры окружающего ЛЭП воздуха и толщины стенки гололеда. Решение о наличии гололедных образований и толщине стенки гололеда принимают по превышению заданного значения максимального из результатов фильтрации. Недостатком данного способа является сложность технической реализации. Способ обнаружения появления гололеда на проводах ЛЭП [26]. Принцип способа заключается в отправке импульсного сигнала в контролируемую линию и последующем приеме импульса, отраженного от естественных неоднородностей волнового сопротивления (конец ЛЭП, отпайки и прочие неоднородности волнового сопротивления ВЧ тракта ЛЭП). По изменению времени распространения (т.е. скорости) и увеличению затухания отраженных сигналов обнаруживается наличие гололедных отложений. При этом измерения интегральные. Интегральность измерений одновременно является и достоинством, и недостатком метода. Недостаток заключается в том, что нет возможности определить на какой длине контролируемого участка образовались гололедные отложения. Однако с помощью неоднородностей вдоль трассы ЛЭП длина таких участков может быть уменьшена, и показания будут иметь более локальный характер. Важным достоинством является то, что одним устройством могут контролироваться все линии, отходящие от подстанции, по всей длине.
Частотно-временное распределение Фурье мощности отраженных локационных сигналов
При гололедообразовании на проводах в связи с аномальной дисперсии в гололедных отложениях скорость распространения электромагнитных волн для разных частот различна, и она возрастает с ростом частоты. При выделении сигналов в достаточно узком диапазоне, таком, что фазовые скорости волн, образующих ВЧ сигнал, мало отличаются друг от друга, и форма огибающей приближённо сохраняется, аномальная дисперсия будет влиять лишь на скорость перемещения огибающей -групповую скорость: где со - угловая частота, - волновое число,/- частота, v - фазовая скорость волны.
При локационном методе запаздывание сигнала определяется по максимуму корреляции отраженных сигналов. Максимум кросс корреляции достигается при совпадении положения минимумов и максимумов квазигармонического отраженного сигнала, а не при совпадении огибающих сигналов. Т.е. определяется изменение фазовой скорости, которая используется при определении параметров гололедных отложений.
Однако такое определение смещения сигналов может привести к ошибочному результату за счет скачкообразного изменения максимума кросс-корреляционной функции при сдвиге максимума огибающей с одного максимума квазигармонического сигнала на другой. Пример такого изменения приведен на рис. 2.12, а, в моменты времени t\ и /з- Для рефлектограммы можно сказать, что запаздывание огибающей будет изменяться медленнее, чем запаздывание фазы, и в таком случае при увеличении гололедных отложений на рефлектограмме фаза будет «убегать» из-под огибающей, что будет приводить к скачку. Размер такого скачка определяется периодом квазигармонического сигнала Т. И при каждом опережении огибающей сигнала его фазы на период квазигармонического сигнала происходит один скачок. На рис. 2.12, б представлены графики частотных зависимостей периода квазигармонического сигнала Т и времени опережения огибающей фазы этого сигнала (Лт = ) при гололедообразовании с параметрами Согласно расчетам (рис. 2.12, б), огибающая будет опережать фазу на величину периода Т, начиная примерно с 190 кГц. Т.е., при гололедообразовании до указанных размеров (L = 75 км, Ъ = 10 мм) при выделении узкополосной составляющей локационного сигнала выше 190 кГц произойдет скачек запаздывания отраженного локационного сигнала на величину -Т. Точное значение величины опережения, при которой произойдет скачок запаздывания, зависит от соотношения фазы и огибающей эталонного сигнала в конкретном случае.
Для предотвращения подобных ошибок необходимо определять и учитывать смещение огибающей текущего сигнала относительно огибающей эталона, блокируя подобные скачки фазового запаздывания при отсутствии скачка группового запаздывания. Выводы
Предложена и разработана методика цифровой обработки рефлектограмм ВЧ тракта ЛЭП для расчета затухания и запаздывания узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов в условиях гололедообразо-вания на проводах воздушных ЛЭП, учитывающая то, что при этом происходит уменьшение скорости распространения электромагнитных волн и возникает их дополнительное затухание, и эти изменения имеют частотную зависимость.
Разработанная методика состоит из 6 основных процедур: 1) обнаружение гармонических помех от ВЧ аппаратуры по спектру рефлек-тограммы, с использованием оконного сглаживания спектров уменьшен эффект их «растекания», который приводил к перекрытию части помех «растекшимися» спектрами более мощных сигналов-помех;
2) подавление обнаруженных гармонических помех, путем применения нерекурсивных фильтров было обеспечено достаточное затухание в полосе заграждения синтезируемых фильтров; 3) анализ и выбор диапазона выделения узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов с использованием системного подхода на базе частотно-временных преобразований Гильберта, Фурье и Вигнера; 4) выделение узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов путем использования цифрового рекурсивного аналога колебательного контура (два каскада для компенсации нелинейности его ФЧХ), обладающего плавной АЧХ и обеспечивающего наименьшее «растекание» во времени узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов; 5) предотвращение ошибок скачкообразного изменения фазового смещения, обусловленных различием фазовой и групповой скоростей путем контроля смещений узкополосной составляющей и ее амплитудной огибающей относительно их эталонных сигналов; 6) вычисление затухания и запаздывания узкополосных составляющих широкополосных отраженных локационных сигналов текущего относительно эталонного, являющихся исходными данными для методики расчета толщины эквивалентной стенки гололедных отложений на проводах.
Для оценки метрологических характеристик локационной системы необходимо было исследовать чувствительность аппаратуры, подключенной к ВЧ тракту ЛЭП, стабильность рефлектограмм во времени, а также погрешности определения затухания и запаздывания отраженных локационных сигналов.
Исследования проводились на базе экспериментальных измерений рефлектограмм на 16 линиях напряжениями 35,110, 330 кВ на 4-х подстанциях «К. Букаш» и «Бугульма-110» (Татарстан), «Баксан» (Северный Кавказ) и «Шкапово» (Башкортостан), ведущихся с 2009 г., измерения осуществляются каждые 10-30 минут. За время наблюдений было снято свыше 200 000 рефлектограмм при различных условиях.
Нарис. 3.1, в качестве примера, представлены изменения относительной амплитуды U и запаздывания Ах за 5 дней марта 2012 года. На графиках отмечены средние значения U, Ах (штрихпунктирные прямые), доверительные интервалы (штриховые прямые) и значения температуры 0 (зарегистрированные на ближайшей метеостанции, пунктирная кривая).
Стабильность рефлектограмм ВЧ тракта ЛЭП
Оценим последние слагаемые (5.15) и (5.16). Согласно расчету (рис. 5.1, б) относительное удлинение проводов 8/ при разрывных стенках (45 мм) составляет примерно 0,3 %, тогда при затухания основной моды 0,055 дБ/км (приводимого ранее в пример) получаем значение третьего слагаемого в (5.15) примерно 0,33-10" 3дБ/км; при таких же условиях последнее слагаемое в (5.16) примерно 2 нс/км. Данные значения пренебрежимо малы по сравнению с экспериментально наблюдаемыми изменениями до 1,42 дБ/км и 227 нс/км (смотри раздел 4.2).
Кроме того, можно пренебречь и вторыми слагаемыми в (5.15) и (5.16), так как они в 1/5/ раз меньше первых, т.е. в сотни раз (рис. 5.1, б).
Таким образом, механическое влияние на затухание и запаздывание сигналов в связи с его малостью по сравнению с электромагнитным влиянием может быть исключено из рассмотрения. Тогда погонные затухание и запаздывание сигналов могут быть определены по (5.8-12).
Однако расчеты по данной модели соответствовали экспериментальным данным не полностью. Рассмотрим такой экспериментальный пример.
На рис. 5.2, а представлены изменения затухания Да и запаздывания Дт локационных сигналов и температуры 0 окружающей среды за период с 4 по 18 ноября 2014 г. Согласно метеорологическим данным 4-5 и 18 ноября (1, 2, 6 случаи гололедооб-разования) на проводах происходило отложение изморози, а 6-9 и 11-12 ноября (3-5 случаи гололедообразования) - более плотных отложений (рис. 5.2, а).
Была исследована взаимосвязь значений затухания Да и запаздывания Дт отраженных локационных сигналов для этих случаев гололедообразования (рис. 5.2, б). На этом графике стрелками обозначен ход времени, таким образом получаются своеобразные «траектории» гололедообразования. В случаях 3-5 гололедообразова-ния тренды «траекторий» этих процессов (рис. 5.2, б, кривые 3, 4 и 5) имеют меньший тангенс угла наклона по сравнению с трендами «траекторий» образования изморози (рис. 5.2, б, кривые 1, 2, 6).
Изменения (а) и взаимосвязь (б) значений затухания Да и запаздывания Ат локационных сигналов для различных случаев гололедообразования на В Л «Бугульма-110-Бугульма-500» с 4 по 18 ноября 2014 г.; (на рис. б стрелками обозначен ход времени) [А24]
Было сделано предположение о том, что в координатной плоскости затухания-запаздывания должны быть участки равной плотности гололедных отложений, и в первом приближении постоянную плотность гололедных отложений имеют лучи, радиально расходящиеся от начала координат (в т. Да = 0 дБ, Ат=0 мкс).
Тренды «траекторий» гололедообразования 4 и 18-го ноября (рис. 5.2, б, кривые 1, 6) имеют одинаковые тангенсы угла наклона, и, вероятно, отложения на проводах в этих двух случаях имели примерно равные плотности. Тренд, соответствующий процессу образования изморози 5-го ноября, имеет меньший тангенс угла наклона (рис. 5.2, б, кривая 2), и, вероятно, отложения должны были иметь большую плотность, чем 4 и 18-го ноября. Еще более плотные гололедные отложения образовывались 11-12 ноября (рис. 5.2, б, кривая 5). Наиболее плотные отложения на проводах были зарегистрированы 6-9 ноября (рис. 5.2, б, кривые 3, 4).
Также было отмечено, что «траектории» образования и схода гололедных отложений могут не совпадать, образуя своеобразный «гистерезис». Сход как изморози (рис. 5.2, б, кривая 2), так и льда (рис. 5.2, б, кривые 3, 4, 5) проходит по «траектории» с меньшим углом. Что может быть вызвано изменениями температуры и плотности гололедных отложений.
Таким образом, необходимо было исследовать влияние различных типов гололедных отложений, т.е. определить зависимость диэлектрической проницаемости от типа гололедных отложений, и по результатам скорректировать модель.
Комплексная диэлектрическая проницаемость є и тангенс угла диэлектрических потерь tg5 определяются соотношениями: E = E/-JE";tg6 = "/ , (5.17) где є - реальная часть комплексной диэлектрической проницаемости - способность материала поляризоваться под действием внешних электрических потерь; є" - мнимая часть (коэффициент потерь) комплексной диэлектрической проницаемости - количественная оценка эффективности преобразования электромагнитной энергии в тепловую; j - мнимая единица V T. Согласно теории Дебая, реальная и мнимая части диэлектрической проницаемости имеют вид: где/- частота электромагнитного поля, тр время релаксации диэлектрической проницаемости, єо - статическая (на низких частотах) диэлектрическая проницаемость, &» - оптическая (на высоких частотах) диэлектрическая проницаемость.
Экспериментальные вариации затухания и запаздывания отраженных локационных импульсов при гололедообразовании
Запуск обработки включает проверку указанных в настройках папок и при обнаружении в папке новых необработанных файлов выполняет их обработку.
В первую очередь при появлении нового файла сравнивается его название с масками файлов линий, т.е. определяется линия-источник рефлектограммы. Затем из файла считываются описание и амплитудные отсчеты рефлектограммы.
Загруженные амплитудные отсчеты подвергаются подавлению помех и выделению узкополосных составляющих широкополосного отраженного импульса. После фильтрации узкополосные сигналы эталонных и текущих отражений подвергаются кросс-корреляции, параллельно производится контроль амплитудных огибающих узкополосных сигналов.
Для задач определения с помощью кросс-корреляции смещения была реализована передискретизация (интерполяция) рефлектограмм до 1 не с использованием кубических сплайнов, данное решение позволило уменьшить дисперсию значений запаздывания.
По массиву размером 3362 экспериментальных измерений рефлектограмм за лето 2010 г. на ЛЭП «К. Букаш-Р. Слобода» были рассчитаны среднеквадратиче-ские отклонения значений погонных запаздывания GST, И затухания aSa, отраженных локационных сигналов при периодах дискретизации ТР рефлектограммы 70 и 500 не, а также периодах дискретизации Гкк 70 и 1 не при расчете кросс-корреляционной функции без компенсации температурной нестабильности этих значений и с компенсацией (табл. 6.1).
Согласно экспериментальным данным (табл. 6.1) уменьшение СКО значений запаздывания о8т за счет интерполяции составило около 8 %, а при компенсации температурной нестабильности сигналов уменьшение достигло 25 %. Увеличение периода дискретизации ТР рефлектограммы при измерении с 70 до 500 не практически не изменяет СКО значений запаздывания и затухания (менее 0,1%).
Затем определяются затухание и запаздывание сигналов в заданных узкополосных частотных диапазонах. Примечание: значения в скобках получены при компенсации температурной нестабильности длины ЛЭП На последнем этапе производятся расчеты толщины стенки и плотности гололедных отложений по методике главы 5, визуализация на мониторе и сохранение в файле для передачи в программу визуализации результатов на диспетчерском пункте.
Как было указано выше, кроме визуализации результатов обработки в программе обработки рефлектограмм для диспетчера необходимо было интегрировать визуализацию информации в существующий комплекс «ОИК Диспетчер», и обеспечить сигнализацию о возможных гололедных авариях. Интеграция производилась совместно с Тимкиным И.Т.
Комплекс технических средств «ОИК Диспетчер» представляет собой сложную многоуровневую иерархическую систему, нижний уровень которого составляют автоматизированные системы диспетчерского управления технологическими процессами на подстанциях и в электрической части электростанций. Эти системы управления обеспечивают ввод и обработку всей информации, необходимой для диспетчерского и организационно-технологического управления объектом [84].
При реализации визуализации со стороны серверной части «ОИК Диспетчер» были произведены следующие операции: 1) зарезервированы реальные телемеханические сигналы для передаваемых из программы обработки рефлектограмм значений толщины стенки гололедных отложений на проводах каждой ЛЭП; 2) созданы и настроены виртуальные телемеханические сигналы и телесигналы; 3) реализован дорасчет виртуальных сигналов на основе реальных телемеханических сигналов с помощью скриптов, разработанных на языке ЯРД [84] и Visual Basic Script; 4) настроена система хранения данных на жестком диске с ежеминутной записью данных и сроком хранения - 1 месяц. С помощью дорасчета определяются погонная масса, интенсивности нарастания массы и толщины стенки гололедных отложений, а также вычисляются телесигналы, отвечающие за визуальную и звуковую сигнализацию состояния линий.
Для расчета интенсивностей был создан дополнительный архив с ежесекундной записью данных и сроком хранения (глубиной) 1 час. Настройка непосредственно визуализации рассчитанных сигналов осуществляется в клиентской части «ОИК Диспетчер».
Страница визуализации результатов локационного контроля гололедообразования на проводах ЛЭП в ОИК «Диспетчер»
Со стороны клиентской части была реализована схема рабочего стола диспетчера и выполнена привязка сигналов к элементам схемы. Схема выполнена в стиле «темного щита» (рис. 6.5) в редакторе «Модус-5.2» [89], интегрированном в редактор клиентской части «ОИК Диспетчер».
При необходимости плавки гололёда (оранжевая зона), при превышении допустимых значений толщины гололёда (красная зона) и при разрывных нагрузках (черная зона) выдается звуковое оповещение для диспетчера. При снятии звукового оповещения вручную и переходе обледенения из одного состояния в другое (оранжевая, красная или черная зона прогресс-бара), звуковое оповещение появляется вновь.
Под таблицей расположена строка, в которой указано время (в минутах) с последнего измерения. Увеличение времени до 30 минут говорит об отказе программного или/и аппаратного элементов. При этом вырабатывается визуальный и звуковой сигнал, информирующий диспетчера о неполадках локационной системы.
При изменении состояния прогресс-бара линии вырабатывается оповещение, предыдущее и текущее состояния ЛЭП обозначаются миганием прозрачной рамки для определения динамики процесса: увеличение или уменьшение обледенения. Кроме того, все опасные состояния записываются в журнал.
Страница визуализации результатов локационного контроля гололедообразо-вания на проводах ЛЭП с расширенной таблицей состояний ЛЭП (рис. 6.6) содержит: во 2-м столбце таблицы (рис. 6.6) указана длина ЛЭП (км); в 3-м - погонная масса гололедных отложений (кг/м); в 4-м - интенсивность нарастания массы ([кг/м/]/час); в 5-м - толщина эквивалентной стенки гололедных отложений (мм); в 6-м - интенсивность нарастания толщины стенки (мм/час).