Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор существующих методов контроля гололедных отложений 14
1.1 Факторы, определяющие оледенение воздушных линий 14
1.2 Методы контроля и мониторинга оледенения воздушных линий
1.2.1 Механический метод диагностирования технического состояния распределительных электрических сетей 21
1.2.2 Магнитный метод диагностирования технического состояния распределительных электрических сетей 24
1.2.3 Локационный (частотный) метод зондирования 25
1.2.4 Оптический метод диагностирования образования гололеда 34
1.2.5 Метод мониторинга на основе термодинамического обменного процесса 35
1.2.6 Метод инклинометрии на основе измерения угла провиса 40
1.3 Выводы по главе 1 41
2 Разработка и оптимизация моделей факторов определяющих оледенение с учетом особенностейвоздушных линий электропередач 44
2.1 Разработка численной модели провиса провода воздушной линии 44
2.2 Оценка стрелы провиса 49
2.3 Уравнение равновесия провода с учетом упругих деформаций и температурных расширений 55
2.4 Выводы по главе 2 63
3 Разработка технического, приборного и информационного обеспечения, локальной системы мониторинга гололедныхотложений воздушных линий электропередач
3.1 Техническое задание на разработку аппаратуры для мониторинга гололедных отложений 64
3.2 Структура и состав комплекса с удаленным управлением методами телекоммуникации 66
3.3 Конструктивные решения системы мониторинга гололедообразования 67
3.4 Вспомогательное оборудование 74
4 Алгоритмическое и програмно-техническое обеспечение процессов обработки информативных сигналов и представления результатов работы ситемы мониторинга гололедных отложений воздушной линии 77
4.1 Общая структура программного обеспечения системы мониторинга гололедных отложений воздушной линии 77
4.2 Программное обеспечение для управления и передачи данных 79
4.3 Программа формирования базы данных 82
4.4 Методика минимизации влияния ветра 83
4.5 Система отображения информации по текущему состоянию гололедообразования 83
4.6 Выводы по главе 4 88
5 Экспериментальные исследования системы мониторинга гололедообразования 90
5.1 Установка, монтаж и наладка СМГ на действующей выделенной ЛЭП 90
5.2 Фотограмметрический метод калибровки и верификации 90
5.3 Проведение полевых испытаний. Ввод в опытную эксплуатацию 92
5.4 Погрешности системы мониторинга гололедных отложений 107
5.5 Выводы по главе 5 110
Заключение 111
Работы автора, в которых опубликованы основные результаты диссертации 113
Список использованной литературы 115
- Механический метод диагностирования технического состояния распределительных электрических сетей
- Уравнение равновесия провода с учетом упругих деформаций и температурных расширений
- Структура и состав комплекса с удаленным управлением методами телекоммуникации
- Методика минимизации влияния ветра
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
Отложение гололёда представляет большую опасность для стабильного энергоснабжения и нормальной эксплуатации ВЛЭП [1]. Гололед может привести к обрывам или схлестыванию проводов, в следствии чего произойдет аварийное отключение ЛЭП.
Исходя из вышесказанного, актуальной задачей является создание
комплексного метода и системы мониторинга для контроля образования
гололеда на проводах ВЛЭП. На практике существуют программно-аппаратные
комплексы и приборы [1-4], позволяющие проводить контроль состояния
проводов ВЛЭП методами определения угла провиса провода, локационного
зондирования линии, взвешивания провода и метеорологического
прогнозирования появления гололеда на проводах. Локационное зондирование
ВЛЭП требует установки и согласования высокочастотной системы
возбуждения и приема зондирующих сигналов и не позволяет отследить
динамику процесса гололедообразования для раннего предупреждения аварий.
Метод взвешивания требует сложной установки весовых датчиков с
последующей ежегодной поверкой и юстировкой последних.
Метеорологическое прогнозирование само по себе не позволяет выявить гололедно-изморозевые отложения на проводах, а лишь прогнозирует условия возникновения гололеда.
Автором диссертационного исследования предлагается совместить два разнотипных метода, а именно усовершенствованный метод определения угла провиса провода, учитывающий перетягивание провода через линейную арматуру, и метод метеорологического прогнозирования, что позволит исключить случаи ложного срабатывания. Тем самым появляется возможность повысить достоверность обнаружения гололеда на проводе ВЛЭП. Для практической реализации такого комплексного метода разработана и создана система мониторинга гололедных отложений, состоящая из датчиков гололедных отложений, модуля сбора и хранения данных, полученных от многопараметрических датчиков, и модуля анализа и визуализации результатов. Разработаны алгоритмы управления и приема-передачи данных по беспроводному каналу для системы мониторинга гололедных отложений на проводах ВЛЭП.
Мониторинг ВЛЭП на основе беспроводной сети анализаторов предоставляет возможность измерять температуру окружающей среды и провода, относительную влажность воздуха, среднюю толщину обледенения, угол провиса провода, действующее значение тока, среднеквадратичное виброускорение (ветровое давление).
Разработка системы мониторинга ВЛЭП является актуальной задачей, решение которой позволит повысить достоверность обнаружения гололеда на проводах ВЛЭП.
Цель работы: разработка комплексного инклинометрическо-
метеорологического метода и системы мониторинга гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи среднего и высокого напряжения для предупреждения возможных гололедных аварий с высокой достоверностью обнаружения и пониженной чувствительностью к внешним возмущениям.
Основные задачи работы:
-
Исследовать физические и технические возможности способов обнаружения гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи, основанных на измерении угла провиса, температуры провода, влажности и температуры окружающей среды. Проанализировать методы и устройства обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП.
-
На основе анализа методов и устройств обнаружения и контроля гололедной нагрузки на проводах воздушных ЛЭП разработать комплексный метод определения гололедно-изморозевых отложений на проводах. Обосновать целесообразность использования комплексного метода для определения гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи для предупреждения возможных гололедных аварий с учетом его преимуществ.
-
Разработать и изготовить экономичный многопараметрический беспроводной датчик для системы мониторинга гололедообразования, тем самым снизить габариты и стоимость всей системы в целом. Провести лабораторные испытания беспроводного датчика гололедообразования.
-
Разработать систему автоматизированного мониторинга гололедных отложений ВЛЭП на основе инклинометрическо-метеорологического метода.
-
Разработать алгоритмы управления и приема-передачи данных по беспроводному каналу для системы мониторинга гололедных отложений на проводах ВЛЭП. Разработать удобную для обслуживающего персонала систему отображения информации текущего состояния ВЛЭП по данным, получаемым от беспроводных датчиков.
-
Провести натурные испытания системы гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи среднего и высокого напряжения с использованием прямых измерений и фотограмметрии в качестве методов верификации.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач использовались:
1. Теоретические методы математического анализа и математической
статистики, механики гибкой нити, математические методы обработки
информации. Исследование проводилось с использованием сред
математического моделирования LabView 15.0 и Matlab 8.0. Моделирование принципиальных схем проводилось с использованием программ MultiSim 10.0, Qucs 0.0.19 и Altium Designer 16.
2. Экспериментальные методы: натурного прототипирования, стендовых
и полевых испытаний. Использовался инклинометрический метод определения
гололедных отложений и метеорологический метод верификации,
подтверждающий наличие гололеда.
Объект исследования: воздушная линия электропередач, находящаяся в условиях образования различных типов гололедных отложений.
Предмет исследования: гололедные отложения на воздушных линиях электропередач.
Научная новизна диссертационной работы
-
Впервые разработана комплексная методика определения гололедных отложений на проводах воздушных линий электропередачи для предупреждения возможных гололедных аварий на основе измерения угла провиса, температуры провода, влажности и температуры окружающей среды, учитывающая перетягивание провода через линейную арматуру.
-
Разработаны алгоритмы управления и приема-передачи данных по беспроводному каналу для системы мониторинга гололедных отложений на проводах воздушных линий электропередачи.
-
Разработано программное обеспечение для беспроводного датчика, системы сбора и накопления данных по беспроводному каналу и программное обеспечение системы анализа и визуализации информации, удобное для работы диспетчера.
-
Разработана система мониторинга гололедных отложений на проводах воздушных линий электропередачи состоящая из датчиков гололедных отложений, модуля сбора и хранения данных, полученных от датчиков, и модуля анализа и визуализации.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработанная система мониторинга гололедообразования, основанная на сети беспроводных датчиков, позволяет:
определять количественно наличие гололедно-изморозевых отложений на проводах ЛЭП;
использовать беспроводной датчик для системы мониторинга и количественного контроля гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи для определения с высокой точностью мест короткого замыкания или обрыва;
сигнализировать о необходимости плавки гололеда.
Результаты исследования формализованы в виде алгоритма и
программного обеспечения для системы отображения информации по
текущему состоянию гололедообразования на основе информации, получаемой
от беспроводных датчиков системы мониторинга и количественного контроля
гололедообразования. Разработан программный комплекс, который
обеспечивает диспетчера подстанции своевременной информацией о количестве и интенсивности нарастания гололедных отложений на проводах контролируемых воздушных ЛЭП, что способствует принятию оперативных решений о необходимости и очередности плавки гололедных отложений для предотвращения возможных гололедных аварий.
Использование системы мониторинга и количественного контроля гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи с целью определения стрелы провеса и ветровой нагрузки позволит предотвратить аварии в случае отклонения показателей от нормативных в результате обледенения или воздействия посторонних объектов. Внедрение датчиков позволит обеспечить бесперебойность электроснабжения, сократить время локализации и определения мест обрыва ВЛ по увеличившемуся углу провиса и исчезновению тока в проводе, тем самым уменьшить издержки на восстановление линии и обеспечит бесперебойность подачи электроэнергии потребителю.
Разработанная система мониторинга гололедных отложений на проводах воздушных линий электропередачи внедрена в опытную эксплуатацию в ПАО «Татнефть имени В.Д. Шашина».
Теоретическая значимость результатов работы
Проведенная работа способствует развитию комплексного подхода определения гололедно-ветровой нагрузки на провода ВЛЭП прямыми (угол провиса) и косвенными (метеорологический) методами.
Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью
результатов предложенного комплексного метода с показаниями, полученными
экспериментально с помощью прямого измерения лазерным дальномером,
фотограмметрической обработки, заключающейся в геометрической
реконструкции провиса провода ВЛЭП в результате образования гололедно-изморозевых отложений, а также непротиворечивостью экспериментальных результатов, выводов и моделей известным теоретическим положениям и данным работ других исследователей в этой области.
На защиту выносятся
-
Метод определения сил тяжения провода от гололедных отложений на воздушных линия электропередачи на основе измерения угла провиса и метеорологического прогнозирования условий гололедообразования, учитывающий перетягивание провода через линейную арматуру.
-
Многопараметрический беспроводной датчик на основе инклинометрических и метеорологических сенсоров для системы мониторинга гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи.
3. Система автоматизированного мониторинга гололедных отложений
воздушных линий электропередач на основе инклинометрическо-
метеорологического метода.
4. Программы и алгоритмы, обеспечивающие прием-передачу данных в
реальном времени по беспроводному каналу, накопление, обработку и
отображение информации, поступающей от датчиков, для системы
мониторинга гололедообразования на проводах воздушных линий
электропередачи
Соответствие паспорту специальности
Работа соответствует паспорту специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.
-
Разработанная комплексная методика определения гололедообразования на проводах ВЛЭП для предупреждения возможных гололедных аварий на основе измерения угла провиса, температуры провода, влажности и температуры окружающей среды, учитывающая также перетягивание провода через линейную арматуру, является развитием существующих методов обнаружения наличия гололедообразования на проводах с использованием комплексного подхода, что соответствует п. 1 Паспорта специальности «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».
-
Разработка системы мониторинга гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи, разработка беспроводного датчика для системы мониторинга гололедообразования, разработка и внедрение реализованного программного обеспечения управления и передачи по беспроводному каналу данных, получаемых от беспроводного датчика для системы мониторинга гололедообразования на проводах ВЛЭП, соответствуют п. 3 Паспорта специальности «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».
-
Алгоритмическая и программная реализация метода соответствует п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись и докладывались на следующих конференциях:
X Открытая молодежная научно-практическая конференция «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике», г. Казань, КГЭУ, 28-30 октября 2015 г.;
XI Всероссийская заочная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, Камышинский технологический институт, 25 октября 2016 г.;
XII международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», г. Казань, КГЭУ, 26 – 28 апреля 2017 г.;
XXII Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия – ТУСУР», Томск, ТУСУР, 10-12 мая 2017 г.
Публикации
Основные положения по теме диссертации опубликованы в 10 печатных работах, включая 2 статьи в журналах, индексируемых в международной базе данных SCOPUS, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ и 4 работы в сборниках материалов конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора
Автор участвовал в лабораторных и натурных испытаниях, им проведены исследования системы мониторинга гололедообразования, выполнен анализ экспериментальных данных и их интерпретация. Автор разработал схемные решения и предложил концепцию прототипа беспроводного датчика. Автор производил моделирование, технические расчеты, лабораторные и полевые измерения, выполнил анализ экспериментальных данных и их интерпретацию, участвовал в обсуждении и описании полученных результатов. В работе используются полученные автором результаты анализа и интерпретации экспериментальных данных за период опытной эксплуатации системы мониторинга гололедообразования в период 2015-2017 гг.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа содержит введение, 5 глав, основные выводы, заключение, список авторских публикаций, включающий 10 работ, список литературы из 109 наименований и 2 приложения. Общий объем работы – 135 страниц, в том числе 59 рисунков и 7 таблиц.
Механический метод диагностирования технического состояния распределительных электрических сетей
Существует несколько вариантов исполнения устройств для осуществления магнитного метода диагностирования технического состояния электрических сетей: устройства, реагирующие на изменение магнитного поля провода при нарастании на нём гололёдных отложений (изменение фиксируется индукционным датчиком); устройства, которые преобразуют величины механических напряжений в ферромагнитных материалах в частоту следования прямоугольных электрических импульсов; устройства для измерения гололедно-ветровой нагрузки на ВЛ, содержащие магнитоупругий датчик силы, который подвешен между траверсой опоры и гирляндой изоляторов с фазным проводом и контролирует полную нагрузку на воздушную линию электропередачи.
Широко используемым представителем датчиков основанных на описанном методе, является датчик ДО-1 обледенения проводов воздушных линий электропередач напряжением 6-35 кВ [95], изображенный на рисунке 1.9. Датчик ДО-1 предназначен для предотвращения образования дополнительных механических нагрузок на воздушных линиях электропередач, а также обрывов проводов, разрушения арматуры, изоляторов в случае значительных гололедных отложений. Датчик обледенения проводов определяет бесконтактным электромагнитным методом наличие и толщину слоя льда на проводе и передает данные с помощью GSM/GPRS-модема на диспетчерский пункт. Передаваемые данные могут быть интегрированы в систему телемеханики и SCADA-систему. Существует возможность изменения внутренних настроек и режима работы прибора с диспетчерского терминала. Питание прибора осуществляется от внутренних батарей. Монтаж датчика обледенения осуществляется непосредственно на провод, при этом не требуется разрыва ВЛ, изменения способа подвеса проводов и специальных технологически сложных приспособлений.
При работе ДО-1 осуществляется постоянный контроль за процессом гололедообразования, что позволяет производить плавку льда своевременно, не допуская повреждения проводов. В то же время применение прибора позволяет избежать преждевременного износа проводов за счет оптимизации процесса плавки.
К недостаткам данного датчика можно отнести то, что изменения свойств среды окружающей провод приводит к неверному определению толщины слоя льда. Слой льда определяется только непосредственно возле датчика и нет возможности определять толщину слоя льда по всему пролету.
Локационный метод зондирования [20-27] заключается в подаче импульсного сигнала в контролируемую линию и определении суммарного времени, затраченного на его распространение вдоль провода в прямом и обратном направлении после отражения от конца линии либо высокочастотного заградителя. Метод позволяет определить наличие гололедных образований на проводах воздушных линий электропередач и их величину путем сравнения времени распространения сигналов (или амплитуд отраженных сигналов) при наличии и при отсутствии гололедных образований.
Гололедно-изморозевые отложения, находящиеся на ВЛЭП, представляют собой диэлектрик с неоднородными свойствами, который должен уменьшать скорость распространения электромагнитной волны вдоль ЛЭП и вызывать ее затухание.
Затухание энергии электромагнитной волны обусловлены потерями в диэлектрике. Энергия электромагнитной волны расходуется на нагрев гололедных отложений. Надо учитывать, что затухание сигнала в проводе ЛЭП несколько увеличивается при тумане, дожде и снегопаде.
Согласно локационному способу обнаружения гололедно-изморозевых отложений имеются два параметра, по изменению которых можно прогнозировать наличие гололедных образований на проводах: снижение скорости и уменьшение амплитуды передаваемого локационного сигнала. По этой причине различают два варианта реализации метода локационного зондирования: по появлению дополнительной задержки отраженного сигнала и по появлению дополнительного затухания этого сигнала.
Важнейшим преимуществом локационных способов обнаружения гололеда является то, что вся аппаратура может быть расположена на подстанции и нет необходимости устанавливать на воздушных линиях какие-либо устройства.
Недостатком локационного метода является трудность определения отличий наличия малого по толщине гололедно-изморозевого отложения на большой длине воздушной линии от локальной опасной концентрации льда в отдельных ее пролетах и отсутствие возможности определения ветровых нагрузок на провод ВЛ.
Рассмотрим основные конструкции датчиков, использующих локационный принцип обнаружения гололеда.
Датчик с контрольным участком [28]. Линия, как показано на рисунке 1.10, содержит фазный провод 1 с контрольным участком провода 2, выполненным из провода с удельным сопротивлением, превышающим удельное сопротивление основного провода линии 1. 1 2 3 4 Рис. 1.10. ЛЭП с устройством контроля гололедной нагрузки: 1 – фазный провод; 2 – контрольный участок; 3 – фильтр присоединения; 4 – генератор импульсов; 5 – анализатор отраженных импульсов
При начале отложения льда провод 1 начнет покрываться льдом, что приведет к изменению его импульсных характеристик. На участке провода 2 за счет большего нагрева рабочим током ЛЭП гололедообразование происходить не будет, и импульсные характеристики провода останутся практически неизменными. Наличие разницы импульсных характеристик провода ЛЭП на участках 1 и 2 может быть определено при ее локации импульсами от генератора 4 через фильтр присоединения 3 с помощью регистратора отраженных импульсов 5.
Недостатком этого датчика является необходимость нарушения конструкции линии путем введения отрезка провода с высоким удельным сопротивлением, который, в добавок, вызывает дополнительные потери электроэнергии. Датчик стрелы провиса провода [30]. Индикация гололеда на ЛЭП произво дится путем сравнения по амплитуде и фазе высокочастотных импульсов, отраженных от заградителей, установленных по концам контролируемого участка. Линия электропередачи (рис 1.11), состоит из фазных проводов 1, закрепленных на опорах 2. В гололедоопасной зоне выбран пролет 3, в котором или установлена дополнительная промежуточная опора 4, к которой прикреплен по крайней мере один из фазных проводов.
Уравнение равновесия провода с учетом упругих деформаций и температурных расширений
Любая высоковольтная воздушная линия электропередачи включает в себя опоры, сооружения для удержания проводов на заданном расстоянии от поверхности земли и друг от друга. В зависимости от способа подвески проводов опоры делятся на две основные группы: промежуточные опоры, на которых провода закрепляются в поддерживающих зажимах; опоры анкерного типа, служащие для тяжения проводов (на этих опорах провода закрепляются в натяжных зажимах).
При этом следует учитывать, что на изношенных воздушных линиях электропередачи наблюдается эффект перетягивания провода с одного пролёта на другой [A3], что, с течением времени, приводит к появлению и развитию дефектов в линейной арматуре (траверсах, стяжках, сцепной арматуре, штырях, крюках и т.д.).
В связи с этим, предлагается математическая модель, учитывающая перетягивание проводов на ВЛ [A8].
Для начала выведем уравнения баланса сил и механических напряжений провода. Рассмотрим, какое влияние оказывает на провод упругая деформация, подчиняющаяся закону Гука. Задачу будем решать строгими методами (в рамках модели абсолютно гибкого провода) [4]. Общая схема расположения провода показана на рисунке 2.7.
Модель гибкого провода с обозначениями основных геометрических параметров: l – длина пролета; f – стрела провиса; h – разница высот точек подвеса; – расстояние от точки подвеса до нижней точки провода;
Для растянутого провода сила тяжести q, отнесенная к единице длины провода, является величиной переменной, зависящей от тангенциального натяжения Т. Поэтому для провода, подверженного линейной деформации, в уравнении величину q нужно выразить через закон растяжения провода. , (2.30) где q0 – сила тяжести, отнесенная к единице длины еще нерастянутого провода, - закон удлинения. При растяжении по закону Гука: , (2.31) где – удельное относительное удлинение провода. Следовательно, . (2.32) Воспользуемся уравнениями равновесия: (2.33) Второе уравнение принимает вид (2.34) Решение этого уравнения целесообразно провести в параметрической форме, выбрав в качестве параметра угол между осью х и касательной к проводу. Тогда — . (2.35) Теперь уравнение (2.34) приводится к следующей форме: А (2.36) Решим полученные уравнения относительно dx и dy: , (2.37) Интегрируя, получаем: - - u (2.38) Ь \ , (2-39) где a = H/q0.
Эти уравнения в параметрической форме определяют растянутую по закону Гука цепную линию. Форма, которую примет провод под действием силы тяжести имеет вид гиперболы. Дальнейшие вычисления можно несколько упростить, если перейти к новой переменной - ). (2.40) В новой переменной уравнения принимают вид ъ (2.41) — . (2.42)
Обозначим через щ и и2 значения параметра и в точках В и А соответственно. Так как растянутая цепная линия проходит через точку В, для которой хъ= (/ -д) и yb= f - К то постоянные Сі и С2 определяются равенствами: Сх=-{1-8) а{щ + a a q0 sh щ); (2.43) С2 =/- h a(ch щ + (а?2) a q0 ch\). (2.44) Цепная линия проходит и через точку А. Поэтому при и = и2 граничные условия х = 3, у =/. Подставляя эти граничные условия в уравнения (2.41), (2.42) и учитывая значения С\ и С2, получим после очевидных преобразований: и2 щ + aaq0(sh и2- sh ux) = l /а, (2.45) ch щ ch щ +(a/2)aq0(ch2u2 ch\) = h /а (2.46) Эти два уравнения содержат три неизвестные величины а, щ, щ. Для составления третьего уравнения, проще всего, воспользоваться условием равновесия всего провода. Если обозначить длину провода до растяжения через L0, а вертикальные проекции реакций точек закрепления через YA и YB, то будем иметь YA + YB = L0 qo, (2.47) где L0qo - вес провода. Из условия равновесия точек А и В (рис. 2.1) следует: У в = - TBy= - H tgal= - H sh ul; (2.48) YA = ТАу= H tga2 = H sh u2 , (2.49) где ТВуи ТАу– вертикальные проекции натяжения в точках В и А; а\ и а2 -значения угла а в тех же точках. Подставив эти значения для YA и YB (2.47), получим: sh u2 - sh ul= L0 /a. (2.50) С помощью этого равенства можно упростить уравнения (2.45), (2.46). Получим u2 - ux= l/a -aqoLQ, (2.51) ch u2 - ch щ + {all) qoL0(sh щ + sh u2) = h/a, (2.52) sh u2 - sh щ= L0 /a. (2.53)
Из этих уравнений по заданным значениям q0, L0, I, Н, а, можно найти щ, щ и а. Предположим, что уравнения (2.51), (2.52), (2.53) решены и числа щ, щи а найдены. Тогда натяжение растянутой цепной линии в любой ее точке найдем по формуле (2.35): T = H ch u (2.54)
Структура и состав комплекса с удаленным управлением методами телекоммуникации
Модули имеют цифровые входы/выходы и аналоговые входы. Вместе с набором встроенных подпрограмм в простейших случаях это дает возможность использовать модули без внешнего микроконтроллера. Блок питания выполнен на отдельной печатной плате с применением интегрального преобразователя DC/DC. Преобразователь способен как понижать, так и повышать напряжение. Первичным источником питания является трансформатор тока с разделяемым сердечником, установленный на проводе ЛЭП. Вторичная обмотка трансформатора соединена с мостовым диодным выпрямителем, в цепь постоянного тока которого и включен преобразователь (рис. 3.5). Выход блока питания соединен с общей шиной питания. Другая секция вторичной обмотки используется как датчик тока, с которого сигнал поступает на АЦП контроллера. Также в блоке питания имеется аккумуляторная батарея, позволяющая продолжать работу датчика в случае исчезновения тока в ВЛ. Вторичная обмотка трансформатора тока имеет выводы на монтажный разъем. Во время монтажа для плотного смыкания частей (половинок) магнитопровода через этот разъем подается постоянный ток.
Модуль глобальной системы позиционирования и точного времени представляет собой микросборку. Микросборка соединена с микроконтроллером по шине UART и сигналом синхронизации 1PPT с логическим уровнем ТТЛ. Микросборка питается от общей шины питания и снабжена активной емкостной антенной, расположенной на корпусе вне экрана. Приемное устройство КНС ГЛОНАСС/GPS ML8088se предназначено для вычисления текущих координат, формирования секундной метки времени. Приемник формирует секундную метку времени, выдаваемую на контактную площадку 16. Секундная метка времени представляет собой импульс, идущий с темпом 1 раз в секунду. В основе платы управления лежит микроконтроллер STM32F051R8T6 32-бита ARM Cortex-M0 64 Кб 2,0-3,6 В. Микроконтроллер на базе ядра ARM Cortex M0 представляет собой малогабаритную микросхему с 64-ми выводами. Cortex-M0 – ядро подсемейства Cortex-M, обеспечивающее малые размеры, низкую мощность и большое энергосбережение процессора. Cortex-M0 – процессор, выполненный по сверхмаломощной универсальной технологии TSMC, потребляет всего 85 мкВт/МГц, занимая площадь менее 12000 логических вентилей. Малое энергопотребление, небольшое число логических вентилей и компактный код, по словам разработчика, позволяют создать 32-разрядный процессор по цене 8-разрядного изделия. Важным достоинством процессора является совместимость с Cortex-M3 на уровне инструментов разработки и бинарных файлов. Cortex-M0 находит применение в сетевом оборудование IEEE 802.15.4.
Внешний корпус измерительного элемента выполнен в разборном эллипсоидальном пластиковом корпусе и имеет специальные пазы для прикрепления к проводу ЛЭП [108].
Внутри внешнего корпуса находится трансформатор тока с разделяемым сердечником, две части которого размещены на разных частях разборного корпуса. Одна из частей трансформатора тока подвижна, имеет одну степень свободы и подпружинена к другой части трансформатора. Электронные компоненты измерительного элемента размещены на печатных платах, помещенных во внутренние экранирующие корпуса (рис. 3.7.).
Для визуального контроля на подстанции была установлена IP-камера высокого разрешения с управляемым сектором обзора и оптическим увеличением. Управление камерой осуществляется посредством веб-интерфейса через сеть Интернет (рис.3.8 и 3.9).
Был разработан многопараметрический датчик гололедных отложений устанавливаемый на провод вблизи точки подвеса к изолятору. Конструкция надежна и работоспособна во все сезоны. Датчика монтируется без замены или снятия линейной арматуры. Корпус датчика не создает больших разностей потенциалов. Питание датчика осуществляется от электромагнитного поля создаваемого проводом. Аппаратная часть платформы включает набор датчиков для измерения параметров состояния проводов линии и окружающей среды, и средства приема и передачи данных. Связь является коммутируемой и открытой, позволяет передавать через канал связи телеметрическую информацию. Датчик автоматически по запросу системы сбора накапливает и передает данные. Число измеряемых параметров избыточно и дублируется для повышения надежности и возможности последующей модернизации алгоритмов работы.
Конструкция наращиваемая и имеет возможность изготовления с разной комплектацией датчиков. Предварительное лабораторное тестирование показало работоспособность выбранного технического решения.
Методика минимизации влияния ветра
В данной главе описывается установка и калибровка датчика. Описывается метод используемый для верификации. Описывается проведение полевых испытаний СМГ и ввод ее в опытную эксплуатацию. Рассчитываются погрешности системы мониторинга гололедных отложений. Подтверждается работоспособность метода и целесообразность использования системы мониторинга гололедных отложений [A5].
В качестве экспериментальной линии были выбраны ВЛ, находящиеся в городе Лениногорск на ПАО «Татнефть», относящиеся к IV группе районирования по гололеду. От выбранных ВЛ питаются несколько групп штанговых нефтяных насосов, аварийное отключение которых влечет за собой недобор нефти. В декабре 2016 года был произведён монтаж датчиков на воздушную линию напряжением 6 кВ.
В качестве второй линии для мониторинга была выбрана ВЛ напряжением 35 кВ, питающей подстанцию №115, от которой отходят множество фидеров 6-10 кВ, для множества групп нефтяных насосов. 11 октября 2016 года был произведён монтаж датчиков на воздушную линию напряжением 35 кВ (рис. 5.1).
Для калибровки системы мониторинга гололедообразования необходимо измерить длину пролета и стрелу провиса. Для этой цели наиболее подходит фотограмметрический метод. Измеренная длина пролета принимается в качестве системной константы, а из длины пролета и стрелы провиса по формуле (2.62) вычисляется угол провиса в точке подвеса провода. Разница между измеренным фотограмметрическим методом углом и углом, измеренным датчиком СМГ, проявляется из-за неточности установки датчика на провод. Данное смещение сохраняется в качестве системной константы. Фотограмметрический метод в дальнейшем будем применять и для верификации предложенного метода.
Проведён предварительный сбор данных по обследуемой линии напряжением 6 кВ. Анализ фотографий, сделанных осенью до наступления зимнего сезона, проводился следующим образом: 1. Для получения точных результатов использовалась программа ImageJ (программа с открытым исходным кодом для анализа и обработки изображений), которая удобна для измерения любого расстояния в пикселях между условными точками. 2. Производилась корректировка геометрических параметров изображений, вносимых оптической системой измерительной установки. 3. На каждой фотографии присутствует своеобразный эталон в виде калибровочной штанги длиной 1,0 м. 4. При обработке результатов сперва измерялась длина штанги в пикселях, что позволяло точно определить количество пикселей в одном метре, а затем производился замер расстояния между опорами и точками подвеса проводов.
Анализ фотографий, сделанных в зимний период, производился несколько иначе. Данные были обработаны двумя способами:
1. Замерялась ширина опоры на «осенней» фотографии (ширина составила 0,21 м). Затем на каждой фотографии ширина опоры в пикселях переводилась в метры и получались дальнейшие результаты. После сравнения с «осенними» результатами была выявлена погрешность в 3-4% на каждой фотографии из-за наличия снега на опоре, что искажало ее ширину.
2. Более точные результаты были получены после использования в качестве константы расстояния между опорами. Погрешность относительно измерений осенью составила 1-2% (учитывалась длина пролета, то есть расстояние между соседними опорами, которая должна быть неизменной в течение года).
На рисунке 5.2 представлено изображение наложенных осенней и зимней фотографии одного и того же пролёта, где наблюдается изменение стрелы провиса провода. Так, осенью длина провиса провода, на котором установлен прибор СМГ-16, составляла приблизительно 1,419 м, а зимой – 1,720 м. Стоит отметить, что в силу погодных условий в некоторых пролетах длина провиса провода уменьшилась, так как при минусовой температуре провод натягивается. Кроме того, присутствует перетягивание провода через линейную арматуру между пролетами, что необходимо учитывать в математической модели системы мониторинга гололедообразования.
Во время проведения полевых испытаний наблюдался ледяной дождь и интенсивное гололёдообразование на проводах воздушной линии Ф115-5 подстанции ПС-115 в НГДУ «Лениногорскнефть». Были сделано несколько фотографий с изморозевыми отложениями и без отложений. На рисунке 5.2 показано наложение этих фотографий, где видно провис провода белого цвета с отложениями и черного цвета без отложений.
На рисунке 5.3 показаны графики угла провиса по координате, направленной вдоль провода, в период с 31.12.16 г. по 11.01.17 г., когда происходило образование изморозевых отложений, для десяти датчиков, установленных на линию напряжением 6 кВ. Рис. 5.2. Наложение фотографий ЛЭП с изморозевыми отложениями (провод белого цвета) и без отложений (провод черного цвета) ос, градусы -10,0 Изменение угла провиса провода во времени для датчиков, установленных в разных пролетах ВЛ Разрывы по ординате 10.01.2017г. на некоторых графиках соответствуют времени срыва изморозевых отложений. Для демонстрации работы метода покажем по шагам работу предложенного алгоритма. Рассмотрим данные, полученные с датчика номер один, так как на его примере можно рассмотреть все случаи. Исходные данные для выбранного датчика показаны на рисунках (5.4) - (5.7).