ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Предложенное устройство относится к измерительной технике и может быть использовано при создании приборов для автоматического определения расстояния до места обрыва и короткого замыкания в линиях электропередачи и связи.

Известно устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи и связи [Патент на изобретение РФ 2098838, Способ определения расстояния до места повреждения и длины проводов и кабелей линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления, МПК G01R 31/11, 10.12.1997].

Устройство содержит генератор зондирующих импульсов, входом соединенный с тактовым генератором, а выходом - с первым коммутатором, вход и выход которого подключены к функциональному приемнику, а второй выход подключен к детектору, соединенному с первым входом элемента сравнения, а ко второму входу элемента сравнения подключен формирователь порогового напряжения, а выход элемента сравнения соединен с формирователем начала и окончания счета, формирователь порогового напряжения соединен с генератором зондирующих импульсов, с формирователем импульсов начала и окончания счета непосредственно и через формирователь импульсов записи и обнуления, тактовый генератор также соединен с функциональным приемником, с формирователем импульсов начала и окончания счета и с измерительной цепью: датчиком расстояния, соединенным с формирователем импульсов записи и обнуления, датчиком укорочения с вторым коммутатором, аналого-цифровым преобразователем и блоком индикации.

Этому устройству присущи следующие недостатки:

1. Низкая точность определения места повреждения, обусловленная большой погрешностью методической составляющей, а именно погрешностью задания коэффициента укорочения. Эта составляющая в отличие от инструментальной составляющей (0,2-2%) может достигать десятков процентов. Это связано с тем, что скорость распространения импульса в линии зависит не только от конструкции линии и материалов провода и изоляции, но от климатических факторов: влажности, температуры, гололеда и ветра. Если влияние конструкции и материалов учитывается и корректируется при испытании участка линии с известным размером, то зависимость параметров линии и соответственно коэффициента укорочения от климатических факторов в известных устройствах не учитывается.

2. Сложность выделения на фоне помех полезной информации - отраженного от места повреждения импульса, поскольку в устройстве функциональный приемник представляет собой дифференциальный усилитель, на второй вход которого полается экспоненциальный сигнал, т.е. выполняется аддитивная операция (сложение), а не мультипликативная - умножение коэффициента усиления усилителя на экспоненциальную функцию, как указано в описании устройства. Таким образом, в устройстве не корректируется коэффициент усиление сигнала по экспоненциальному закону в зависимости от времени возвращения отраженного сигнала и не повышается отношение сигнал/шум.

3. Логические операции в устройстве реализованы на отдельных элементах, что усложняет технологический процесс изготовления и ограничивает функциональные возможности устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи, и это устройство - прототип [Патент на изобретение РФ, 2654958 Российская Федерация, МПК G01R 31/11, 2018], основанное на локационном методе определения расстояния до места повреждения: введен блок укорочения содержащий микроконтроллер, к аналоговым входам которого подключены датчики температуры провода, температуры воздуха, диэлектрической проницаемости воздуха и удельной проводимости земли, а к выходу подключен блок цифровой индикации и через цифроаналоговый преобразователь функциональный приемник, выполненный на базе операционного усилителя с не инвертирующим входом, при этом фотосопротивление первого оптрона функционального приемника, соединяющее инвертирующий вход усилителя с землей, через светодиод первого оптрона соединен с формирователем экспоненциальной функции, представляет собой цепь состоящую их фотосопротивления второго оптрона и конденсатора, на вход которой подается прямоугольный импульс с генератора зондирующих импульсов, а фотосопротивление формирователя экспоненциальной функции через второй оптрон соединено с микроконтроллером через цифро-аналоговый преобразователь.

Устройство содержит тактовый генератор, генератор зондирующих импульсов, коммутатор, функциональный приемник, детектор, элемент сравнения, формирователь импульсов начала и окончания счета, формирователь импульсов записи и обнуления, формирователь порогового напряжения, датчик расстояния, блок укорочения, микроконтроллер, датчики температуры провода, температуры воздуха, диэлектрической проницаемости воздуха и удельной проводимости земли, и цифроаналоговый преобразователь.

Этому устройству присущи следующие недостатки:

Имеет сложную конструкцию для адаптации порога срабатывания формирователя импульсов. Это устройство позволяет постепенно итерационным методом подбирать уровень срабатывания. Однако при таком способе коррекции, измерение может осуществляться за несколько тактов работы устройства, что ограничивает время измерения. А также снижение надежности работы устройства.

В предлагаемом устройстве вводится адаптивный канал для стабилизации амплитуды отраженного импульса. Применяемая стабилизация амплитуды отраженного импульса осуществляется в два этапа.

1. Грубая коррекция амплитуды импульса за счет введения усилителя, коэффициента усиления которого увеличивается во времени по экспоненциальному закону, противоположному закону затуханию сигнала во времени.

2. Однако, из-за не идеальности линии, этот метод не позволяет полностью стабилизировать значение амплитуды. Поэтому был введен усилитель с автоматической регулировкой усиления, который позволяет стабилизировать амплитуду отраженного импульса до заданного значения и тем самым исключить погрешность измерения, обусловленной формой отраженного импульса при преобразовании этого импульса в прямоугольный импульс, кроме того, это устройство реализовано значительно проще на цифровом вычислительном устройстве.

Техническим результатом заявленного измерительного интеллектуального устройства для определения места аварии воздушных линий электропередачи является повышение быстродействия.

Указанный технический результат достигается тем, что интеллектуальное устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи, содержащее генератор зондирующих импульсов, который выходом соединен с коммутатором, вход и выход которого подключены к измеряемой линии электропередачи, а второй выход подключен к функциональному приемнику, микроконтроллер, к аналоговым входам которого подключены датчики температуры провода, температуры воздуха, диэлектрической проницаемости воздуха и удельной проводимости земли, а ко второму выходу через цифроаналоговый преобразователь подключен второй вход функционального приемника, причем к выходу функционального приемника подключен блок стабилизации параметров информационного сигнала, содержащий усилитель информационного сигнала с двумя контурами отрицательной обратной связи, в которой первый контур стабилизации уровня шумов выполнен в виде подключенной к выходу усилителя информационного сигнала последовательной цепи из пикового детектора, подключенного общей точкой к положительной шине питания, и усилителя, соединенного через резистор с входом усилителя информационного сигнала, второй контур стабилизации амплитуды информационного сигнала выполнен в виде последовательной цепи из пикового детектора, подключенного общей точкой к нулевой шине питания, а выходом к инвертирующему входу дифференциального усилителя, к не инвертирующему входу которого подключен потенциометр, выполняющий функцию задающего устройства, выход дифференциального усилителя соединен с оптроном, включенным в цепь обратной связи усилителя информационного сигнала, которая управляет коэффициентом усиления, а выход усилителя информационного сигнала соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с «0» входом триггера, «1» вход которого соединен с генератором прямоугольных импульсов, выход триггера соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, выход ключа соединен с входом счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом сумматора, на второй вход которого подключен первый выход микроконтроллера.

Указанное отличие позволяет повысить быстродействие устройства, так как блок климатической поправки, который включает в себя микроконтроллер, датчики температуры провода, температуры воздуха, диэлектрической проницаемости воздуха и удельной проводимости земли, и блок преобразования импульса в цифру, который включает в себя триггер, ключ и счетчик импульсов, выполнены отдельными блоками. Климатическая поправка вычисляется по сложным формулам и соответственно за больший промежуток времени, но в тоже время изменение внешних условий происходит сравнительно медленно, и соответственно, поправка изменяется через больший промежуток времени, а преобразование длительности импульса осуществляется оперативно, причем с высоким быстродействием, поскольку преобразование осуществляется по методу заполнения длительностью импульса - тактовыми импульсами, и при введении коррекции в сумматоре осуществляется также оперативно, поскольку до изменения поправки она уже вычислена. Поскольку функциональный приемник, представляющий собой адаптивный усилитель корректирует амплитуду отраженных импульсов приближенно по общей закономерности, то он не полностью исключает погрешность формирователя импульсов за счет сложной формы отраженного импульса, поэтому введен блок стабилизации импульса, содержащий блок автоматической регулировки усиления, который позволяет уже более точно стабилизировать амплитуду, и соответственно, уменьшить погрешность преобразования сигнала в прямоугольный импульс. Таким образом измерение осуществляется за один такт, за счет подбора уровня срабатывания, кроме того, схема упрощается с введением триггера и повышается надежность устройства в целом.

На фиг. 1 изображена блок-схема интеллектуального устройства для измерения расстояния до места повреждения линии электропередачи, на фиг. 2 изображена схема блока стабилизации параметров информационного сигнала, на фиг. 3 изображен график амплитуды сигнала до и после преобразования пикового детектора содержащиеся в БСП, на фиг. 4 изображены диаграммы, иллюстрирующие работу устройства.

Интеллектуальное устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи (фиг. 1) содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, выходом подключенным к генератору прямоугольных импульсов (ГПИ) 2, который соединен с генератором зондирующих импульсов (ГЗИ) 3, коммутатор (К) 4, функциональный приемник, представляющий собой адаптивный усилитель (Ус) 5, блок стабилизации параметров информационного сигнала (БСП) 6, формирователь импульсов (ФИ) 7, выход которого соединен с «0» входом триггера (ТГ) 8, вход «1» которого соединен с ГПИ 2, выход ТГ 8 соединен с первым входом ключа (Кл) 9, а второй вход соединен с ГТИ 1, выход Кл 9 соединен с входом счетчика импульсов (СИ) 10. Устройство содержит микроконтроллер (МК) 11, к аналоговым входам которого подключены датчики температуры провода 12, температуры воздуха 13, диэлектрической проницаемости воздуха 14 и удельной проводимости земли 15, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 16, сумматор (Сум) 17, к входам которого подключены МК 11 и СИ 10, а выход может быть подключен к ЭВМ.

БСП 6 информационного сигнала (фиг. 2) содержат усилитель информационного сигнала 18 с двумя контурами отрицательной обратной связи, первый контур стабилизации уровня шумов выполнен в виде подключенной к выходу усилителя информационного сигнала 18 последовательной цепи из пикового детектора 19, подключенного общей точкой к положительной шине питания +U_п, и операционного усилителя 20, соединенного через резистор 21 с входом усилителя информационного сигнала 18, второй контур стабилизации амплитуды информационного сигнала выполнен в виде последовательной цепи из пикового детектора 22, подключенного общей точкой к нулевой шине питания, а выходом к инвертирующему входу дифференциального усилителя 23, а к не инвертирующему входу которого подключен потенциометр 24, выполняющий функцию задающего устройства, выход дифференциального усилителя соединен с оптроном 25, включенным в цепь обратной связи усилителя информационного сигнала, через сопротивление 26, которая управляет коэффициентом усиления, а выход усилителя соединен с входом ФИ 7, выход которого соединен с «0» входом ТГ 8, на «1» вход которого соединен с ГПИ 2, выход ТГ 8 соединен с первым входом Кл 9, а второй вход соединен с ГТИ 4, выход Кл 9 соединен с входом СИ 10, выход которого соединен с первым входом Сум 17, на второй вход которого подключен первый выход МК 11.

При изменении амплитуды сигнала, поступающего с Ус 5 напряжение U₁, В (фиг. 3) изменяется соответственно и разность напряжения между амплитудой импульса и падением на нелинейном элементе, которая в свою очередь преобразуется RC-цепью пикового детектора 19 в постоянное напряжение U₁. Изменение напряжения на выходе пикового детектора 22 управляется при помощи оптрона 25 коэффициентом усилителя информационного сигнала 18 за счет шунтирования резистора в оптроне 25, таким образом, чтобы величина амплитуды импульса на выходе усилителя информационного сигнала 18 оставалась постоянной.

Сигнал с усилителя информационного сигнала 18 поступает на пиковый детектор 19, который «устраняет провалы» импульса относительно положительного напряжения питания, т.е. преобразует импульсы в постоянное напряжение U₂, В, относительно U_п и напряжения U_п - U₂ относительно нулевой точки.

Напряжение U_п - U₂ усиливается операционным усилителем 19 и через ограничивающий резистор подается на вход усилителя информационного сигнала 18.

Устройство работает следующим образом (Фиг. 4). ГЗИ 3 на основе импульсов (фиг 4.а) ГТИ 1 вырабатывает зондирующие импульсы (фиг 4.б) с заданными параметрами: длительность и периодом, импульсы для функционального изменения порогового напряжения и окончания счета.

К 4 осуществляет коммутацию зондирующих и отраженных импульсов на объект измерения и вход Ус 5, а также коммутацию отраженных усиленных Ус 5 импульсов на вход БСП 6 (фиг. 4.в).

ФИ 7 формирует прямоугольный импульс, положение фронта и среза которого определяется по отраженному импульсу на уровне порога срабатывания U_пор, В (фиг. 4.г).

Переключение ТГ 8 осуществляется за счет импульса от ФИ 7 и ГПИ 2. (фиг. 4.д.). Кл 9 открывается от импульса поступившего от ТГ 8 и ГТИ 1, при совпадении импульсов начинает работу СИ 10 (фиг. 4.е.), который считает импульсы сгенерированными ГТИ 1, пока открыт Кл 9.

Сум 17 суммирует данные СИ 10 и поправочного коэффициента МК 11.

Фазовая скорость V_ф, м/с, определяется соответственно с помощью выражения:

где ω - частота, Гц; β - коэффициент фазы длинной линии, который определяется по формуле:

где С₀ - поперечная емкость между прямыми и обратными проводами, Ф; L₀ - индуктивность петли, образованной прямыми обратным проводами, Гн; R₀ - продольное активное сопротивление прямого и обратного проводов, Ом; G₀ - поперечная активная проводимость утечки изоляции между прямым и обратным проводами, См.

Отклонения параметров линии R₀, L₀, С₀, G₀, обусловленные влиянием климатических факторов, вызывают отклонение коэффициента фазы и соответственно фазовой скорости V_ф.

Зависимость активного сопротивления от температуры провода определяется следующей зависимостью [Марголин Н.Ф. Сопротивление воздушных линий передачи / Н.Ф. Марголин - М.: Мособлполиграф, 1937. - 61 с.]:

где R₀₂₀ - табличное значение удельного сопротивления при температуре провода 20°С, Ом; α - температурный коэффициент электрического сопротивления, Ом/град; t_пр - температура провода, °С.

Полное сопротивление провода определяется выражениями [Марголин Н.Ф. Сопротивление воздушных линий передачи / Н.Ф. Марголин - М.: Мособлполиграф, 1937. - 61 с.]:

где - активное сопротивление линии, Ом; X_L - реактивное сопротивление линии, Ом; ƒ - частота сети, Гц; r_пр - радиус провода, м; γ - удельная проводимость земли, См/м.

Величина относительной диэлектрической проницаемости газов ε_r зависит от температуры при постоянном давлении. Для сухого воздуха ε_r в интервале температур от -60 до +60°С можно считать постоянным и приблизительно равным 2⋅10^-6 °С^-1. Однако дождь и снег оказывают значительное влияние на удельную емкость линии. Кроме того, влажность и температура воздуха оказывают влияние на токи утечки, т.е. поперечную удельную проводимость линии.

Коэффициент затухания α(ω) определяется с помощью формулы:

По измеренным с помощью датчиков параметрам: температуры провода, температуры воздуха, диэлектрической проницаемости воздуха и удельной проводимости земли, и заданным функциональным зависимостям с помощью МК 11 вычисляются скорость распространения импульса в линии или коэффициент укорочения. МК 11 вычисляет также значение сопротивления для коэффициента затухания линии, поступающее через ЦАП 16 на вход Ус 5. Затем по вычисленным значениям определяется расстояние до места аварии. Опрос датчиков происходит не каждую итерацию работы алгоритма, а только лишь в заданное время.

Таким образом, конструкция заявленного устройства позволяет значительно повысить быстродействия измерения расстояния до места повреждения линии электропередачи за счет быстродействующей автоматической коррекции скорости перемещения импульса, зависящей от внешних факторов, по измеренным с помощью соответствующих датчиков величинам внешних факторов и вычисленными с помощью микроконтроллера сигналами коррекции.