автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система распознавания аварийных режимов воздушных линий электропередачи

Нгуен Туан Фыонг

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА РАСПОЗНАВАНИЯ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

8 АПР 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005566991

Волгоград-2015

005566991

Работа выполнена на кафедре «Электротехника» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» Министерства образования и науки РФ.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шилин Александр Николаевич.

Официальные оппоненты:

Увайсов Сайгид Увайсович,

доктор технических наук, профессор, Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ, заместитель директора по научной работе;

Вахнина Вера Васильевна,

доктор технических наук, профессор, Тольяттинский государственный университет, кафедра «Электроснабжение и электротехника», заведующий.

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», г. Саратов.

Защита диссертации состоится «22» мая 2015 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.05, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.vstu.ru Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «

2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

/¿С и

Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергетическую систему России характеризует высокая степень морального и физического износа, высокие потери (10... 15 %) и пониженный уровень надежности. Поэтому вопрос о повышении надежности ее функционирования является весьма актуальным.

Из статистики надежности энергосистем следует, что самыми ненадежными элементами энергосистем являются воздушные линии электропередачи (ЛЭП), а источниками низкой надежности высоковольтных линий электропередачи -повреждения проводов, вызванные как естественными, так и искусственными причинами. Отключение электроэнергии - весьма опасный фактор и поэтому оперативное обнаружение места повреждения ЛЭП и его устранение позволяет повысить надежность ЛЭП. В России ликвидация аварийных режимов затруднена из-за большой протяженности ЛЭП и бездорожья, особенно в осеннее и зимнее время. Таким образом, разработка методов и средств обнаружения повреждений ЛЭП является весьма актуальной задачей.

Во многих странах мира ведутся работы по созданию интеллектуальных электрических сетей, представляющих собой комплекс технических средств, которые в автоматическом режиме выявляют наиболее слабые и аварийно опасные участки сети, а затем изменяют схему сети в целях предотвращения аварии и, соответственно, повышения надежности. По мнению многих экспертов, в интеллектуальных сетях заложен потенциал, который имел Интернет в начале цифровой революции. Основу создания интеллектуальных сетей составляют информационно-измерительные системы, позволяющие регистрировать аварийные режимы системы и осуществлять передачу информации о координатах места и видах аварии.

В настоящее время разработано большое число средств для определения мест повреждения, работа которых базируется на разных физических эффектах. Приборы определения мест повреждения можно разделить на две группы: приборы, основанные на изменении сопротивлений линии при аварии, и приборы, основанные на анализе бегущей волны. Однако все эти приборы не обеспечивают необходимой точности и оперативности контроля аварийных режимов.

В энергетике широко применяют топографические методы контроля, которые используют датчики электрических величин, подключенные к линии высокого напряжения через определенный интервал расстояния. Результаты контроля электрических величин передают по каналам связи на диспетчерский пункт. Этот метод позволяет более точно определять место повреждения, однако наиболее трудоемок при монтаже и эксплуатации датчиков. На основе анализа электромагнитного поля, создаваемого проводами линии, выявлено, что аварийные режимы работы линии вносят в электромагнитное поле изменения. Также установлено, что для распознавания аварийных режимов необходим раздельный контроль электрической и магнитной составляющих поля. На основе этого физического эффекта была разработана информационно-измерительная систем (ИИС) контроля аварийных режимов, которая значительно проще в монтаже и эксплуатации. Однако для нормального функционирования ИИС датчики электромагнитного поля необходимо устанавливать в определенных

координатах относительно проводов линии. Поэтому для повышения надежности распознавания аварийных режимов необходима разработка идентификационных признаков аварийных режимов, основанных на анализе электромагнитных полей. Решению этой задачи посвящена эта диссертационная работа.

Степень разработанности темы исследования. Одной из основных проблем в энергетике является разработка методов и средств определения вида и мест аварийных режимов воздушных линий электропередач (ВЛЭП). Значительный вклад в решение данной проблемы сделали отечественные ученые и инженеры Шалыт Г.М., Айзенфельд А.И., Арцишевский Я.Л., Кузнецов А.П., Минуллин Р.Г., Конюхова Е.А., Киреева Э.А., Дьяков А.Ф., Левченко И.И., Murari Mohan Saha, Qi Huang и другие.

Объектом исследования является ВЛЭП 6-35 кВ и системы определения мест повреждений ВЛЭП.

Предметом исследования является метод и средство определения вида и мест аварийных режимов воздушных линий электропередач (ВЛЭП).

Цель работы - разработка нового метода идентификации аварийных режимов, использующие электромагнитные датчики, и выбор координат установки измерительных преобразователей, позволяющие наиболее достоверно идентифицировать аварийные режимы.

Задачи исследования:

1. Провести анализ существующих методов и средств контроля аварийных режимов, выявить недостатки и сформулировать задачи дальнейших исследований.

2. Получить математическую модель распознавания аварийных режимов по изменению электромагнитного поля, создаваемого всеми проводами воздушной линии.

3. Разработать методику, позволяющую определять координаты мест установки датчиков относительно проводов линии на опоре.

4. Разработать методику метрологического анализа системы распознавания аварийных режимов линий электропередачи.

Методы н средства исследований.

При выполнении исследований и решении поставленных в работе задач использовались методы математического и физического моделирования, теории электромагнитного поля, электротехники, автоматического управления, электроники и метрологии.

Достоверность результатов исследования основана на корректных теоретических построениях и строгих математических выводах, подтверждена результатами экспериментальных исследований.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математические модели для исследования напряженности электрического поля и индукции магнитного поля, создаваемого проводами линии при аварийных режимах.

2. Численные модели определения координат установки конденсаторных датчиков на опоре на основе анализа графических зависимостей напряженности электрического поля.

3. Численные модели определения координаты установки магнитного датчика на опоре на основе анализа графических зависимостей угла индукции магнитного поля.

4. Методика обработки информации распознавания аварийных режимов с помощью микроконтроллера.

Научная новизна работы.

1. Предложен метод определения координаты установки конденсаторных датчиков на опоре в системе регистрации аварийных режимов линии электропередачи.

2. Предложен метод определения координаты установки магнитного датчика на опоре в системе регистрации аварийных режимов линии электропередачи.

3. Разработана структурная схема ИИС для системы регистрации аварийных режимов линии электропередачи.

4. Предложен алгоритм обработки информации распознавания аварийных режимов с помощью микроконтроллера.

Теоретическая и практическая ценность работы:

1. Разработаны методики определения оптимальных координат установки датчиков, обеспечивающие надежное срабатывание системы регистрации.

2. Разработана функциональная схема ИИС для системы регистрации аварийных режимов линии электропередачи, позволяющая идентифицировать все аварийные режимы линии электропередачи.

3. Разработана программа обработки информации распознавания аварийных режимов для микроконтроллера с модемом связи GSM, который позволяет оперативно передавать информацию о режиме линии на диспетчерский пункт.

4. Разработан лабораторный стенд для исследования алгоритмов идентификации аварийных режимов воздушной линии электропередачи.

Соответствие паспорту специальности.

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы», а именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышения эффективности существующих систем» и пункту 4 -«Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем».

Апробация результатов. Основные положения и материалы осуждались на следующих научных конференциях: Внутривузовской научной конференции ВолгГТУ (Волгоград, 2014, 2015), XVIII - XIX региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2013, 2014), Межрегиональной научно-практической конференции (г. Волжский, сентября 2013 г.), межвузовской научной конференции «Повышение надёжности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов» (Уфимский

государственный нефтяной технический университет, Уфа, 2014), XI международной научно-практической конференции (г. Сочи, 1-10 окт. 2014 г.).

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное и основное участие в разработке методов определения координат установки датчиков [2, 3, 10], разработке системы ИИС [1 - 10], алгоритм идентификации режимов [1], экспериментальный стенд [4].

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 10 работ, из которых 4 статьи в журналах по списку ВАК РФ, получено 1 свидетельство регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 103 страницах основного текста, содержит 56 рисунков, 2 таблицы, 107 библиографических наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, проблемы, определены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации был проведен анализ существующих методов и средств ОМП ВЛЭП. Все методы и средства ОМП ВЛЭП можно разделить на две основные группы: топографические и дистанционные. Из проведенного анализа методов и средств ОМП линий электропередачи, тенденций их развития и уровня современных систем беспроводной связи следует, что в настоящее время в качестве основы проектируемых ИИС необходимо использовать топографические методы, как наиболее точные и надежные. А в качестве средств регистрации аварийных режимов целесообразно применять бесконтактные дистанционные датчики электрических и магнитных величин. На основе анализа сформулированы задачи дальнейших исследований.

Для обеспечения необходимой точности идентификации аварийных режимов необходимо провести исследования влияния аварийных режимов на пространственное распределение электромагнитного поля, а на основе этого исследования разработать методику определения координат положения датчиков относительно проводов линий.

На основе полученных математических моделей и алгоритмов идентификации необходимо разработать информационно-измерительную систему распознавания аварийных режимов линий электропередачи и алгоритм ее функционирования.

Для разработки методики проектирования и определения основных параметров ИИС необходимо разработать методику метрологического анализа системы и провести исследование влияния различных факторов на ее метрологические характеристики.

Во второй главе рассмотрена задача распознавания вида аварийного режима на ВЛЭП. Аварийные режимы подразделяются на две основные группы: режимы обрыва фаз и короткого замыкания. Идентификация этих режимов осуществляется по изменению электрической и магнитной составляющим поля,

создаваемого проводами линии. Измерение напряженности электрического поля выполняется конденсаторным датчиком, а индукции магнитного поля -магниторезистором.

1п(г7г) : 1п(4А/<л"'

ц/2 ' 1п(25/</)

[1п(р7р) + !п(г7г)], (1)

ЛАх.у)

Рисунок 1 — Схема расчета электростатического потенциала поля а) при однопроводной линии электропередачи, б) двухпроводной линии электропередачи

Г 0 3£г

Рисунок 2 - Напряженность в направлении оси у (кВ/м) а) на высоте к = б м, б) на высоте к = 7 м,

На основе разработанной численной модели электрического поля под проводами линии были построены графические зависимости напряженности электрического поля от координат установки датчика для всех режимов обрыва

проводов линии. Рассмотрен пример, в котором провода линии расположены в вершинах равностороннего треугольника (рис. 1) с координатами: А (0; 11,73) м; В (1; 10) м; С (-1; 10) м. На рисунках 2 изображены зависимости напряженности для всех режимов работы воздушной линии. Из анализа графических зависимостей (рис.2) следует вывод, что для идентификации всех аварийных режимов воздушной линии необходимо установить два датчика в координатах М\{\\ 7) м; Мг(-1; 7) м. В этих координатах значения напряженности имеют максимальные отличия для всех режимов работы линии. Для решения этой задачи была разработана компьютерная программа, позволяющая осуществлять выбор координат установки датчиков для всех схем расположения подвесов на опорах (рис.3). Таким образом, из анализа электрического поля, создаваемого всеми проводами линии, выявлено, что идентификация всех аварийных режимов обрыва проводов возможна с помощью двух конденсаторных датчиков, установленных в определенных координатах относительно проводов линии.

ШШтть.:-

Полоэдадгетлекфзанойяниие--

Г

>*»■< О 'ЛИ! 11 7-'

| -ш. 1 ; уь(м}| '0

[ ад«]; -1 Yci.ni 10_

- Диаметр правда и напряжение «мм) в

Программа моделирования выбора положения датчика

Напряженность поля ло оси Су -Еу ¡!<В.'М)

А

ДргчнкЗ

? ?

*

о

30-изг^уш.-нносгытооси0у: Еу№4|)

-------В

+ АВ

* О £

.........!.......Ш

глК »«й-

Выбор положения датчика 1

{ Хв1{М|| 1 1 У|1|ы} 7

Выбор положения датчика 2 : ШЩ .1 тайм) 7

напряхшюстъ Еу (ВГщ на летчике 1

[Эоа "

^Рисовал. график;

Напряженность Еу (В/М| на латнике 2- ■

■ООьявление различения рехимоэ -Порог чуаствшая.ноо даглщоа 1&М1

Датчик 1 не различает; ДЕ-АВС:

Датчик 2 и» рмличаел СА-ДБС;

Рисунок 3 - Интерфейс программы для выбора координат установки датчиков Для идентификации аварийных режимов короткого замыкания на основе закона Био-Савара-Лапласа (2) была разработана численная модель магнитной индукции под проводами воздушной линии (рис. 4). Рассмотрен пример, в котором провода линии расположены в вершинах равностороннего треугольника с координатами: А (0; 11,73) м; В (1; 10) м; С (-1; 10) м. Для всех режимов короткого замыкания были рассчитаны два компонента магнитной индукции (рис. 5) в координате х = 0м; у = 8м.

(2)

В =

2 яг„

Угол вектора магнитной индукции 0К, при режимах короткого замыкания определяется выражением

0„, = агс1ап—.

Вг

При коротком замыкании трех фаз вектор магнитной индукции поля вращается вокруг датчика, поэтому угол Ъкаьс периодически изменяет свое положение от О до 360°. В режимах короткого замыкания одной и двух фаз углы вектора магнитной индукции определяются положением датчика и не зависят от времени. Поэтому с помощью одного двухкоординатного датчика магнитного поля, установленного в определенной координате, возможна идентификация всех видов короткого замыкания воздушных линий электропередачи.

Рисунок 4 - Схема расчета магнитной индукции, создаваемой фазными токами линий в точке установки датчика

.......... ■ о ^ О ........ <.„ \ О * о : к® * -юл —»—КЗ в —<—КЗГ —*—КЗ л Л » КЗ ВС ♦ КЗ с-л о КЗ А ПС

........... : О « О ! ----------о..-.т.............;........... «и * °Ао° !

-6 -4 -2 0 2 46

Рисунок 5 - Магнитная индукция при режимах короткого замыкания

а) б)

Рисунок 6 - Угол индукции магнитного поля 0К/ на а) высоте у = 7 м, б) высоте у ~ 8 м

На основе разработанной численной модели магнитного поля под проводами линии были построены графические зависимости индукции магнитного поля от координат установки датчика для всех режимов короткого замыкания проводов линии (рис.6).

Анализ измеренных значений напряженности электрического поля и угла индукции магнитного поля в определенных координатах позволяет идентифицировать все режимы работы ВЛ (обрыв фаз и короткое замыкание). Для решения этой задачи была разработана функциональная блок-схема ИИС (рис.7) и алгоритм общей идентификации аварийных режимов (рис.8).

Рисунок 7 - Функциональная блок-схема

ИИС: 1,2-датчики электрического поля; Рисунок 8 - Алгоритм общей

3 -датчик магнитного поля; 4 - блок идентификации аварийных режимов

усилителей (5 - 8); 9 - блок обработка информации; 10 - блок передачи информации

Система содержит блок первичной обработки информации, в состав которого входят датчики двух величин: напряженности электрической поля Е и индукции магнитного поля В. Датчики электрического поля представляют собой конденсаторы емкостью С, а датчик магнитного поля представляет собой магниторезистор, который измеряет индукцию магнитного поля в двух перпендикулярных направлениях. Датчики 1 и 2, регистрируют вертикальные составляющие напряженности электрического поля Е, а датчик магнитного поля регистрирует индукцию магнитного поля В по двум координатам.

Для работы блока обработки информации 9, который реализован на базе микропроцессора, разработана программа по алгоритму идентификации (рис. 8). На вход микропроцессора непрерывно поступают сигналы с датчиков £/,/, и,2, Вх, Ву. Затем проверяется условие двух типов аварии: короткое замыкание и обрыв фаз. Если оба напряжения с датчиков конденсаторов равны напряжению нормального режима 113, то три фазы работают нормально. Если полная индукция магнитного поля (В) больше чем пороговое значение индукции (В„), то идентифицируется короткое замыкание. Далее идентифицируются виды обрыва

фаз и их коротких замыканий.

На основе анализа функций распределения электрических и магнитных полей вокруг проводов линии электропередач разработаны алгоритм для определения координат установки датчиков, в которых значения напряженности электрического поля и индукции магнитного поля для различных аварийных режимов имеют максимальные отклонения, а, следовательно, и более различимые идентификационные признаки аварийных режимов.

На основе проведенных во второй главе исследований разработаны методики для обоснованного определения координат установки датчиков электрического и магнитного полей.

В третьей главе исследованы влияния металлической опоры на распределения электрического поля вокруг опоры и влияния внешних факторов (влажность, дождь, снег) на точность измерения напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

Рисунок 9 - Схема расчета напряженности электрического поля с помощью метода эквивалентных зарядов (МЭЗ)

На схеме расчета (рис. 9) провода трехфазной линии моделируются эквивалентными зарядами в центре проводов, а заряды индукции на опоре моделируются конечными линейными зарядами, находящимися внутри поверхности опоры. В методе эквивалентных зарядов для расчета напряженности всех эквивалентных зарядов на точке использован принцип суперпозиции. В работе проведено исследование влияния металлической опоры на распределение напряженности электрического поля. Исследование проведено для линии со следующими данными: провода линии расположены в вершинах равностороннего треугольника с координатами: А(0, 11.73)м; В{ 1, 10)м; С(-1, 10)м; напряжение линии и = ЮкВ; диаметр провода 8мм; диаметр опоры 0.4м.

'У

о

I

.............|............1.............|.............;..... : / / -...........'...........................!.............'....../1 ■II 11 '•••■ ч\ ......... \\ : : \\ : \\ ......... \\: Лет опоры

л\

/ /

\ ^г^Л

' ' ' » 1 1 1

Расстаакм пв вей координаты х, к

Рисунок 10 - Напряженность в направлении оси у (кВ/м) на высоте 7 м, в случае потенциалы фаз У= [Ом 0], и=10кВ.

Из результата расчета (рис. 10) следует, что на расстоянии от стойки опоры примерно менее 1 м опора оказывает значительное влияние на напряженность электрического поля. На расстоянии примерно 1 м от стойки опоры имеет место некоторое усиление поля, вызванное зарядами, индуцированными на опоре. За пределами этой зоны происходит ослабление напряженности поля в случае опоры по сравнению со случаем без опоры. Из проведенного анализа выявлено, что металлические и железобетонные опоры вносят изменения в распределение поля и поэтому датчики электрических и магнитных величин необходимо устанавливать на расстояние более 1м от опоры.

В качестве датчика напряженности электрического поля в ИИС используется плоский конденсатор, представляющий собой две плоские параллельные пластины одинаковой площади расположенные на расстоянии (1 друг относительно друга. Если пространство между пластинами заполнено средой с относительной диэлектрической проницаемостью е, то при сообщении им заряда д напряженность электрического поля между пластинами и емкость плоского

конденсатора равны соответственно £ = -3— и С =

ЕЕцБ <1

Рисунок 11 - Структурная схема канала для измерения напряженности электрического поля

Разность потенциалов между пластинами определяется выражением:

цй

Ч\-<Р1=—

Поскольку напряженность поля Е зависит от электрических свойств среды и поэтому напряженность удобно выразить через е:

£ = ^ (5)

■ е

Диэлектрическая проницаемость воздуха равна е =1 и в этом случае Е=Е0. Таким образом, напряженность электрического поля Е0, создаваемого проводами линии, определяется по напряжению на конденсаторе

и=Е0с1. (6)

На рисунке 11 представлена функциональная схема канала для измерения напряженности электрического поля, по которому идентифицируется режим работы линии. Конденсатор является довольно простым элементом и поэтому практически не вносит погрешность в результат измерения. Однако напряженность электрического поля, создаваемого проводами линии, зависит от диэлектрической проницаемости среды е. В тоже время диэлектрическая проницаемость среды е зависит от влажности среды и температуры. Поэтому необходим анализ погрешностей, вызванных зависимостью е от влажности воздуха и температуры среды и, особенно, в дождливую погоду и снегопад. Так, например, диэлектрическая проницаемость воды равна в =81. Поэтому если эти факторы вносят значительную погрешность в результат измерения, то необходимо в системе осуществлять коррекцию этих факторов по уравнению

(7)

20 40 т 80 1034 Сми'ч 20 40 66 50 10С<*м'ч Опккитепвгая шигносп. еьэдуха Э (%> к китемо-вность Дбтчй К/ (ым-'и)

Рисунок 12 - Зависимость диэлектрической проницаемости от влажности и дождя

На рисунке 12 совмещены зависимости диэлектрической проницаемости от влажности и дождя. Из рисунка 12 следует, что влажность воздуха и дождя очень практически не оказывают существенного влияния на точность измерения напряженности электрического поля.

На рисунке 13 представлены зависимости диэлектрической проницаемости слоя для сухого и мокрого снега. Диэлектрическая проницаемость слоя снега сравнительно высокая и особенно для мокрого снега. Проницаемость слоя снега увеличивается, когда снег плавится и соответственно плотность его увеличивается.

Рисунок 13 - Зависимость диэлектрической проницаемости от сухого и мокрого снега при влажности мокрого снега IV = 0.1 рс, где рс - плотность сухого снега

Из анализа влияния внешних условий на точность измерения датчиков следует, что влажность и температура воздуха не оказывают существенного влияния на точность измерения напряженности электрического поля. Существенное влияние на погрешность измерения оказывает слой снега и поэтому конденсаторный датчик напряженности электрического поля должен быть установлен на высоте, которая превышает возможную высоту снежного покрова.

Из проведенного метрологического анализа информационно-измерительной системы следует, что погрешность измерительного канала удовлетворяет требованиям практики, однако основным источником погрешности идентификации режима является зависимость задаваемых для компаратора величин от различных климатических и временных факторов. Это обусловлено тем, что регистрация аварийных режимов воздушных линий осуществляется при срабатывании компараторов, сравнивающих заданное значение величины для аварийного режима и измеренное значение этой величины с помощью датчиков. Достоверность регистрации аварии определяется точностью датчика и интервалом отклонений заданного значения величины. Необходимо отметить, что интервал отклонений может значительно превышать погрешность датчика, особенно при контроле токов короткого замыкания. Это обусловлено тем, что в цепь при коротком замыкании на землю входит участок земли и при межфазном замыкании участок дуги.

Земля (грунт) является плохим проводником электрического тока. Грунт

представляет собой дисперсное пористое тело, состоящее из трех частей: твердой, жидкой и газообразной. Электрическое сопротивление грунта характеризуется его объемным удельным сопротивлением, которое колеблется в широких пределах -от десятков до тысяч Ом на метр и зависит от многих факторов, в том числе от влажности, температуры, рода грунта, степени его уплотненности, а также от времени года. Кроме того, в точке контакта провода с землей происходит нагревание грунта, в результате испаряется влага и соответственного изменяется сопротивление цепи и тока в цепи короткого замыкания. Заранее точно учесть изменение задаваемого значения практически невозможно. Сопротивление электрической дуги в месте КЗ учитывается введением в расчетную схему активного сопротивления дуги Яд, которое определяется на основе вероятностных характеристик влияния устойчивой (непогасающей) дуги на ток КЗ. Эта величина является также нестабильной и поэтому в ИИС необходимо корректировать значения задающих величин в зависимости от факторов.

В четвертой главе на основе теоретического анализа, проведенного в 2 главе, разработан и изготовлен лабораторный стенд для исследования алгоритма идентификации аварийных режимов воздушной линии электропередачи, позволяющий исследовать влияние различных внешних факторов и параметров системы на достоверность идентификации, а также исследовать разрабатываемые элементы и узлы промышленной системы.

Рисунок 14 - Лабораторный стенд для исследования алгоритма диагностики

Для исследования алгоритма диагностики аварийных режимов разработан лабораторный стенд (рис. 14). На рисунке 15 изображена аналоговая электронная схема измерительного канала.

Функциональная блок-схема системы (рис. 16) содержит центральный микроконтроллер, на вход которого поступают сигналы с датчиков через блок аналоговой обработки, а затем в микроконтроллере осуществляется цифровая обработка информации, по результатам которой определяются аварийные режимы. Информация о режиме работы с микроконтроллера поступает на компьютер и ЖК-индикатор. Кроме того, эта схема позволяет выполнять следующие функции: сохранение информации об аварийных режимах в реальном

времени в памяти ЕЕРЯОМ\ монтаж, настройку и контроль системы с помощью кнопок, компьютера и ЖК-индикатора.

5И

С1

ЭакСг

Рисунок 15 - Аналоговая электронная схема измерительного устройства

Рисунок 16 - Функциональная блок-схема системы

Для лабораторного стенда были разработаны программы для микроконтроллера и компьютера. Программа для микроконтроллера управляет следующими операциями: выполняет сбор информации {Е%ь Е;2) от датчиков, осуществляет идентификацию аварийных режимов и передачу информации на компьютер.

Интерфейс программы представлен на рисунке 17. Компьютер непрерывно получает информацию от микроконтроллера с периодом 200мс, и изображает на графике значения напряженностей электрического поля во времени. Компьютер также сообщает об аварийных режимах миганием красных кругов, обозначающих фазы обрыва. На рисунке 15 приведен конкретный пример диагностики. На графике (рис. 15) в момент времени 979с произошел обрыв фазы А -напряженности двух датчиков сразу уменьшаются с 40В/м до ЗЗВ/м. В момент

времени 991с произошел обрыв фазы С (обрыв двух фаз) - в этом случае напряженность датчика 1(^0 увеличивается с ЗЗВ/м до 42В/м, а напряженность датчика 2{ЕЛ) уменьшается с ЗОВ/м до 7В/м. В момент времени 999с произошёл еще обрыв фазы В (обрыв трех фаз) - напряженности датчиков сразу уменьшились до 0 В/м.

Из приведённого анализа результатов исследования следует, что экспериментальные результаты имеют расхождения с расчетньми данными. Это расхождение объясняется несколькими причинами: в экспериментальной установке использовалось относительно низкое напряжение - 220В; наличие помех электрического поля в лаборатории от различного оборудования.

Программа контроли режимов трехфазной линии

Е»1 '0 -

В/м

Ез2

< >

Датчвк2 ! Датчик1 ?

Напряженность злекгрического поля а реальном времени

— — ЕВДИ»« 2 - Е1

—\. .

__^ .-

990 995

Время, с

Порт СОМ

Данные Напряженности

25 В/м 35

Е1 Е2

I1 Устатсеить параметры ]

Рисунок 17 - Интерфейс компьютерной программы Таблица 1 - Технические характеристики лабораторного стенда _

Напряжение трехфазной линии, В 220

Диапазон измерения напряженности электрического поля, В/м 5-60

Абсолютная погрешность измерения напряженности электрического поля, В/м ±2

Диапазон рабочих температур, °С -10 ... +40

Напряжение батареи питания ,В ±4,8 ... ±5,3

Ток потребления не более, мА 5

Режимы диагностики обрыва фаз - одной фазы - двух фаз - трех фаз

Однако проведенные с помощью лабораторного стенда экспериментальные исследования подтвердили достоверность разработанных математических моделей и алгоритмов идентификации аварийных режимов воздушной линии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ методов и средств ОМП линий электропередачи и тенденций их развития, из которого следует, что в качестве основы проектируемых ИИС целесообразно использовать топографические методы, а в качестве средств регистрации - бесконтактные дистанционные датчики электромагнитного поля.

2. Проведено исследование электрического поля, создаваемого всеми проводами линии при аварийных режимах обрыва проводов, из которого следует, что идентификация всех аварийных режимов возможна с помощью двух конденсаторных датчиков, установленных в определенных координатах относительно проводов линии.

3. Проведено исследование магнитного поля, создаваемого всеми проводами линии при аварийных режимах короткого замыкания проводов, из которого следует, что идентификация всех аварийных режимов возможна с помощью двухкоординатного датчика магнитного поля, установленного в определенной координате относительно проводов линии.

4. Разработаны алгоритм и программа для определения координат установки датчиков, в которых значения напряженности электрического поля и индукции магнитного поля для различных аварийных режимов имеют максимальные отклонения, а, следовательно, и более различимые идентификационные признаки аварийных режимов.

5. Разработан алгоритм распознавания всех аварийных режимов воздушной линии электропередачи, на основе которого спроектирована ИИС с микроконтроллером и модемом связи GSM, которая позволяет оперативно передавать информацию о режиме линии на диспетчерский пункт.

6. Проведен анализ влияния опор линии на функцию распределения электромагнитного поля проводов линии, из которого следует, что металлические и железобетонные опоры вносят изменения в распределение поля и поэтому датчики электрических и магнитных величин необходимо устанавливать на расстояние более 1м от опоры.

7. Исследовано влияния климатических факторов на точность измерения датчиков, из которого следует, что влажность и температура воздуха не оказывают существенного влияния на точность измерения напряженности электрического поля, однако существенное влияние на погрешность измерения оказывает снег и поэтому конденсаторный датчик должен быть защищен от попадания снега.

8. Выполнен метрологический анализ ИИС, из которого следует, что погрешность измерительного канала удовлетворяет требованиям практики, однако основным источником погрешности идентификации режима является непостоянство задаваемых для компаратора аварийных значений величин и поэтому необходима их коррекция в зависимости климатических условий.

9. Разработан и изготовлен лабораторный стенд для исследования алгоритма идентификации аварийных режимов воздушной линии электропередачи, позволяющий исследовать влияние различных внешних факторов и параметров системы на достоверность идентификации, а также исследовать разрабатываемые элементы и узлы промышленной системы.

10. Проведенные с помощью лабораторного стенда экспериментальные исследования подтвердили достоверность разработанных математических моделей и алгоритмов идентификации аварийных режимов воздушной линии электропередачи.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах из перечня ВАК РФ:

1. Шилин, А.Н. Алгоритм идентификации аварийных режимов воздушных линий электропередачи / Шилин А.Н., Шилин A.A., Нгуен Ф.Т., Ле Ф.С. // Известия ВолгГТУ. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки». Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. - № 18 (145). - С. 68-72.

2. Шилин, А.Н. Использование компьютерного моделирования для определения положения датчиков мониторинга аварийных ситуаций на воздушных линиях электропередачи / Шилин А.Н., Шилин A.A., Нгуен Ф.Т., Ле Ф.С. // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2014. - № 7. - С. 35-41.

3. Шилин, А.Н. Компьютерное моделирование магнитного поля воздушных линий электропередачи при авариях / Шилин А.Н., Шилин A.A., Нгуен Ф.Т., Ле Ф.С. // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2014. - № 11. - С. 43-50.

4. Шилин, А.Н. Стенд для исследования алгоритма диагностики обрыва фаз линии электропередачи / Шилин А.Н., Шилин A.A., Нгуен Ф.Т., Ле Ф.С. // Известия ВолгГТУ. Сер. Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. Вып. 10. - Волгоград, 2014. - № 26 (153). - С. 97-102.

Статьи, свидетельства и материалы конференций:

5. Шилин, А.Н. Информационно-измерительная система мониторинга воздушных линий электропередачи / Шилин А.Н., Шилин A.A., Нгуен Ф.Т., Ле Ф.С. // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. Инфо 2014 : матер. XI междунар. науч.-практ. конф. (г. Сочи, 1-10 окт. 2014 г.) / Национальный исследовательский ун-т "Высшая школа экономики" [и др.]. - М., 2014.-С. 161-164.

6. Нгуен, Ф.Т. Лабораторный стенд для исследования аварийных режимов линий электропередачи / Нгуен Ф.Т., Ле Ф.С., Шилин А.Н. // XVIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 5-8 нояб. 2013 г.): тез. докл. / отв. ред. В.И. Лысак ; Волгогр. гос. техн. ун-т [и др.]. -Волгоград, 2014. - С. 195-196.

7. Шилин, А.Н. Система регистрации аварийных режимов воздушных линий электропередачи / Шилин А.Н., Шилин A.A., Нгуен Ф.Т., Jle Ф.С. // Электрика. -2014,-№9.-С. 2-5.

8. Шилин, А.Н. Система регистрации аварийных режимов воздушных линий электропередачи / Шилин А.Н., Шилин A.A., Нгуен Ф.Т., Ле Ф.С. // Повышение надёжности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов : межвуз. сб. науч. тр. / Уфимский гос. нефтяной техн. ун-т. - Уфа, 2014. - С. 79-81.

9. Шилин, А.Н. Компьютерное моделирование электромагнитного поля проводов линии электропередачи в поперечном сечении / Шилин А.Н., Нгуен Ф.Т., Ле Ф.С. // Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий : межрегион, сб. науч.-практ. конф. / филиал МЭИ, г. Волжский, 2013. -С. 138-144.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015612333 от 17.02.2015 г., РФ , МПК (нет). Программа выбора оптимального положения установки конденсаторных датчиков / Нгуен Ф.Т., Шилин А.Н., Шилин A.A.; ВолгГТУ. - 2015.

Подписано в печать 20.03.2015 г. Заказ №Д46.. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. № 7