Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих методов обнаружения неисправностей в высоковольтных кабельных сетях 13
1.1. Методы диагностики 13
1.1.1. Методы локализации неисправностей 13
1.1.2. Мониторинговые методы локализации неисправностей 21
1.2. Векторные модели типичных повреждений 26
1.3. Модели организации связи в распределенных системах диагностики кабельных сетей 30
1.4. Методы и подходы к решению задач анализа данных с учетом структуры контролируемых сетей 35
1.5. Аппаратура передачи данных по высоковольтным кабельным сетям 40
1.4. Выводы . 43
ГЛАВА 2. Передача информации по высоковольтным кабельным сетям 45
2.1. Особенности передачи-цифровой информации по силовым кабельным сетям 45
2.2. Система централизованного сбора данных по силовым кабельным сетям 49
2.3. Разработка структуры и протокола передачи данных 53
2.4. Разработка метода распознавания информационных единиц 58
2.4.1. Алгоритм распознавания на основе объективных оценок сигнала 59
2.4.2. Распознавание бит на основе теории информации 64
2.4.3. Фильтрация информационного сигнала на основе вейвлет-преобразования 67
2.5 Выводы 71
ГЛАВА 3. Оптимизация методов обработки данных при диагностике кабельных сетей 72
3.1. Структурно-лингвистический подход в описании сетей и алгоритмах расчетов 72
3.1.1. Метод эквивалентного представления сети 72
3.1.2. Рекурсивная обработка данных с учетом топологии сети 76
3.2. Концепция диагностики кабельных сетей 79
3.2.1. Диагностика на основе баланса мощностей 80
3.2.2. Функциональная диагностика 82
3.2.3. Прогнозирование состояния сети на основе учета неблагоприятных диагнозов 86
3.3. Оптимизация методов обработки первичных данных 88
3.3.1. Моделирование процесса измерения и обработки данных 89
3.3.2. Оптимизация методов измерения параметров сети . 95
3.4. Выводы 104
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования разработанных методов 106
4.1. Постановка задачи 106
4.2. Система диагностики распределительных силовых сетей 107
4.2.1. Функциональное описание и общие технические характеристики 107
4.2.2. Программное обеспечение 112
4.3. Комплексное испытание системы и анализ результатов . 113
4.3.1. Работа в режиме слежения 116
4.3.2. Работа системы в режиме индикации неисправностей сети 117
4.4. Выводы 136
Заключение 137
Список литературы
- Мониторинговые методы локализации неисправностей
- Система централизованного сбора данных по силовым кабельным сетям
- Рекурсивная обработка данных с учетом топологии сети
- Функциональное описание и общие технические характеристики
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время в промышленности отчетливо наметились тенденции к увеличению доли затрат на энерго- и ресурсосберегающие технологии, а также на технологии, предназначенные для наблюдения за состоянием различного рода технических структур. Современные средства обработки информации позволяют оптимизировать процесс наблюдения за состоянием технических объектов, повысить скорость обнаружения нештатных ситуаций, существенно облегчить анализ исходных данных.
Системы электропередачи выполняются по схеме с изолированной нейтралью в целях обеспечения повышенной надежности электроснабжения. Замыкание одной из фаз на землю не приводит к появлению больших токов короткого замыкания и допускается в течение нескольких часов [10]. Однако, по сведениям энерго-предприятий, потери энергии, связанные с аварийными и нештатными ситуациями в сетях распределительных пунктов и трансформаторных подстанций на настоящий момент составляют величину порядка 5% от общего её расхода. В периоды сезонного увеличения потребления эти потери могут доходить до 10-11%, усугубляя тем самым и без того напряженную работу оборудования и провоцируя дополнительные аварии. Такая ситуация связана как с общей изношенностью коммуникаций и дороговизной их своевременной замены и ремонта, так и с объективными трудностями в оперативной локализации места аварии, характерными для подземных силовых линий.
Поэтому, контрольно-диагностическая аппаратура, обеспечивающая мониторинг состояния, в частности, распределительных кабельных сетей должна обеспечивать максимум возможностей по учету распределяемой по потребителю энергии, прогнозированию состояний кабельных сетей и непосредственной локализации неисправных участков сети при использовании доступных и относительно дешевых каналов связи (КС). В энергетической отрасли таким каналом может являться сам объект диагностики - высоковольтная кабельная линия, обладающая характеристиками, которые затрудняют производить по ней передачу данных с использованием хорошо известных методов. Это означает, что кабельные линии могут быть использованы в качестве канализирующих устройств при развитии методов передачи данных, адаптированной к специфике таких линий.
Устройства, использующие для передачи информации инфраструктуры распределительных силовых сетей, принято называть устройствами высокочастотной связи. Проблемы, возникающие при организации в кабельной линии высокочастотного КС, и методы их решения были исследованы в работах: Сидельнокова В. В., Перельмана Л. С, Шкарина Ю. П., Кадомской К. П., Прозоровского Е. Е., и др. Однако для организации систем мониторинга и диагностики состояния кабельных линий силовой сети необходимо создание соответствующих методов, рабочих алгоритмов и устройств.
Под диагностикой кабельных силовых сетей в работе понимается диагностика типичных неисправностей высоковольтных кабелей этих сетей. Условием успешной диагностики и прогнозирования состояния кабельных сетей является наличие своевременной и достаточной диагностической информации, а так же методов ее обработки. Большинство отечественных систем мониторинга силовых кабельных сетей производят обнаружение неисправностей без использования постоянного векторного анализа токов и напряжений и анализа взаимосвязей в исходных данных. Как следствие, такие системы указывают лишь на возможное ответвление сети, где выявлен лишь факт повреждения. Поэтому задачи поиска неисправностей возлагаются на обслуживающий персонал, который в свою очередь вынужден производить комплекс длительных и не всегда успешных работ по непосредственному обнаружению мест неисправности. Все это приводит к низкой производительности и достаточно высоким требованиям к квалификации обслуживаю щего персонала. Конечно, такой подход часто не приемлем в условиях современного производства.
Таким образом, отсутствие эффективных методов передачи данных по силовым сетям, в совокупности с отсутствием оптимизированных методов обработки информации исключило возможность применения относительно дешевой и оперативной аппаратуры контроля для проведения мониторинга состояния кабельных силовых сетей, а так же прогнозирования возникновения в них неисправностей.
Одна из причин высоких затрат на контроль кабельных сетей, а так же на поиск неисправностей является низкая эффективность доступных средств ведения мониторинга и контроля сетей из-за отсутствия единой комплексной стратегии автоматизированного поиска с применением адаптивных методов анализа и обработки данных. В этой связи актуальной становится задача создания более эффективной в эксплуатации информационно-измерительной системы, способной производить диагностику и локализацию типичных видов неисправностей в силовых кабельных сетях.
Цель работы - разработка и исследование информационно-измерительной системы оперативной диагностики подземных силовых сетей, использующей в качестве КС сам объекта контроля (силовой кабель).
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Построение концепции системы сбора информации, использующей в качестве КС, как правило, зашумленный силовой кабель.
2. Разработка алгоритма анализа цифровых сигналов, позволяющего повысить надежность передачи данных при наличии в КС помех.
3. Разработка метода диагностики кабельных сетей, позволяющего производить идентификацию и локализацию неисправностей, характерных для кабельных силовых сетей.
4. Реализация системы мониторинга распределенных кабельных силовых сетей на основе разработки аппаратного и программного обеспечения. Методы исследований базируются на применении элементов теории вероятности и вейвлет-анализа, теории графов, векторной и матричной алгебры, основных соотношений теории цепей, использовании информатики, системного анализа, основ управления многоуровневыми системами и применении объектно-ориентированного программирования. Научная новизна:
1. Обоснована целесообразность построения системы диагностики в составе распределительных силовых сетей, использующей силовой кабель в качестве информационного канала.
2. Предложен способ передачи информации по силовому кабелю и заявлено соответствующее этому способу устройство, отличающееся адаптивной подстройкой уровня распознавания цифрового сигнала.
3. Предложен и апробирован новый метод анализа цифрового сигнала, переданного по зашумленным высоковольтным кабельным линиям, позволяющий повысить степень помехоустойчивости системы связи.
4. Разработан скоростной протокол обмена данными, общее время приемо-передачи данных со всех абонентов обслуживаемого куста которого заведомо меньше, чем время реакции устройств автоматики сетей на нештатные ситуации.
5. Предложен метод анализа распределения мощностей по потребителям силовой сети, использующий рекурсивный алгоритм, ход которого определяется текущей структурой сети.
6. Адаптирован метод числовых образов применительно к описанию векторных моделей типичных повреждений кабельных сетей.
7. Модифицирован метод параметризации контролируемых процессов сети, отличающийся использованием простых промышленных микроконтроллеров для первичной обработки информации, малого числа отсчетов при заданной точности результата. Достоверность результатов работы подтверждается использованием теоретически обоснованных методов диагностики силовых сетей; известными из литературы теоретическими и экспериментальными данными, а так же результатами проведенных экспериментов.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные результаты могут найти применение в следующих областях: в информационно-измерительных и управляющих системах различного назначения, использующих в качестве КС силовой кабель (сигнализация, системы телеметрии и телеуправления удаленными объектами по кабелю питания и т. д.);
в вычислительных программах, предназначенных для расчетов распределенных объектов изменяемой топологии.
Результаты работы реализованы в системе диагностики распределенных кабельных сетей, блоки которой выпущены малой серией и используются Энгельским филиалом ОАО «Облкоммунэнерго». В своем составе блоки содержат разработанные и предложеные устройства передачи цифровой информации по высоковольтным кабельным сетям, позволяющие на своей основе построить информационную систему. Специальная программа централизованного сбора информации, разработанная по изложенным принципам внедрена совместно с аппаратурой.
Созданные в результате выполнения диссертационной работы устройства, комплексы программ и алгоритмов могут быть использованы в качестве учебного материала по курсам микропроцессорной техники и программирования.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на:
международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Саратов, в 2004 и 2006 годах); конференции по проблеме повышения качества подготовки учащихся в области инженерной графики (г. Саратов, в 2004 году);
3-ей международной научно-технической конференции «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники» (г. Владимир, в 2004 году); международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (г. Саратов, в 2005 году);
научной конференции по инженерной и компьютерной графике (г. Саратов, в 2006 году);
Втором Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций, (г. Саратов, 21-23 ноября 2006 года). Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 11 печатных работ, из которых 10 статей (из них одна в издании, рекомендованном ВАК). На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Передача цифровой информации непосредственно по подземным высоковольтным кабелям силовой сети дает возможность построения распределенной ИИС с минимальными затратами на содержание КС и высокой степенью защиты информации от внешнего воздействия.
2. Для достоверного контроля нештатных ситуации в силовой сети достаточно, чтобы скорость передачи данных по подземным силовым кабельным линиям находилась в диапазоне 2-2.5 кБод.
3. Структура распределенных систем с изменяющейся топологией может быть формализована с помощью разработанной методики, основанной на использовании структурно-лингвистического подхода.
4. Использование алгоритмов рекурсивной обработки первичных данных с учетом структуры сети позволяет диагностировать её состояние и обнаруживать основные неисправности с приемлемой для практики точностью.
5. Результаты экспериментов, подтверждающие правильность предложенной методики декодирования информационных сигналов и работоспособность созданной на ее основе автоматизированной системы диагностики силовой сети.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 90 наименований, одного приложения. Общий объем работы составляет 148 страниц, в том числе 39 рисунков и 3 таблицы.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований.
Первая глава посвящена краткому обзору существующих методов обнаружения неисправностей в силовых кабельных линиях с изолированной нейтралью. Представлен анализ существующих способов осуществления автоматической диагностики неисправностей, а также методов передачи информации по силовым кабельным линиям. Приведен обзор отечественных серийных средств контроля кабельных сетей.
Проведенный анализ показал, что задача разработки комплексной программно-аппаратной системы контроля состояния силовых кабельных сетей с изолированной нейтралью является весьма актуальной. Предложена структура информационной системы, элементы которой обмениваются информацией непосредственно по высоковольтному кабелю силовой сети.
Поставленная цель требует решения следующих научно-технических задач: разработать структуру помехозащищенных пакетов данных и протоколы общения элементов системы сбора информации по зашумленной высоковольтной кабельной сети; создать алгоритм корректного приема искаженной информации, а также алгоритмы формирования исходных данных с заданной точностью; предложить методы адаптивного к топологии сети и статистике анализа данных, упростить процедуру выявления неисправных участков сети и локализации неисправностей.
Вторая глава посвящена анализу особенностей передачи цифровой информации в зашумленной кабельной линии и разработке новой методики выделения информационных единиц из канала связи ИИУС, основанной на использовании статистического критерия выделения машинного слова с последующей его скоростной вейвлет-фильтрацией.
Третья глава посвящена разработке концепции диагностирования и прогнозирования состояния кабельных сетей на основе распределенных ИИУС, оптимизации методов обработки данных. Решалась проблема определения достаточного для диагностики набора данных и методов оценки их адекватности. Был развит структурно-лингвистический подход к решению поставленной задачи, сочетающий в себе функциональную диагностику на основе баланса реактивных мощностей и представления сети в виде эквивалентного виртуального потребителя.
Четвертая глава работы содержит экспериментальные данные, подтверждающие рабочую гипотезу о возможности передачи цифровой информации по работающим высоковольтным кабельным сетям с изолированной нейтралью и о возможности регистрации неисправностей на реальном высоковольтном объекте с последующей их идентификацией. Необходимо было экспериментально подтвердить следующее утверждение: можно построить такую ИИС, использующую в качестве канала связи силовой кабель, которая будет устойчиво передавать цифровую информацию с контрольных точек даже при наличии в сети короткого замыкания.
В выводах приводятся основные результаты работы.
Мониторинговые методы локализации неисправностей
Алгоритмический способ является наиболее перспективным в использовании для диагностирования сложных систем, в которых на основе исходных данных может быть построено бесчисленное множество возможных алгоритмических путей решения выделенной проблемы.
Сравнение измеряемых данных с эталонными осуществляется: - по заданным уставкам (границы допустимых значений) измеряемых параметров; - по специальному алгоритму анализа архивных данных. Метод сравнения с уставками является жестким и не всегда обеспечивает, необходимую глубину локализации неисправностей - используется в большинстве современных мониторинговых средств.
Реализация специальных алгоритмов анализа данных является трудоемким мероприятием для сложных систем, но может обеспечить закладываемую точность расчетов.
Средства мониторингового контроля по возможным способам поиска неисправного участка в кабельных сетях можно разделить следующим образом: - логический анализ; - частично-автоматизированная локализация неисправностей; - автоматическая локализация.
Логический анализ возможен при наличии сигналов превышения уставок и возлагает задачу поиска неисправностей на специальный персонал. Как следствие, метод характеризуется невысокой скоростью обнаружения факта аварии и требует постоянного присутствия специалистов высокой квалификации.
В устройствах, реализующих частично-аетоматизированное выявление и локализацию неисправностей средствами телемеханики, происходит сбор полной информации об объекте диагностирования. Далее оператор, наблюдающий за ходом технологического процесса, производит анализ изменения параметров во времени и их взаимосвязь - проводит выявление неисправности на основании собственного опыта и знаний. Так, в телеметрической аппаратуре «Омь» в каждом ответвлении принципиальной схемы производится запись соответствующих данных. Устройства подобного класса мало приспособлены к обнаружению всех возможных повреждений сети и в основном используются в качестве индикатора распределения энергопотребления.
Автоматический поиск места неисправности осуществляется по заложенным в аппаратуру критериям и алгоритмам, оперирующим измеренной информацией. К подобным устройствам относят средства мониторинга, сочетающие в себе элементы современной функциональной диагностики, а так же методики прогнозирования состояний наблюдаемых объектов. Устройства сбора информации в сочетании с программами, реализующими методы анализа и прогнозирования, обеспечивают максимально возможную точность и оперативность при минимальных требованиях к квалификации операторов.
Основные функции, реализуемые современными информационно-измерительными системами, формулируются исходя из их назначения: сбор информации о контролируемых технологических параметрах; хранение собранной информации при необходимости анализа изменения параметров во времени; обработка информации с целью формирования комплексных критериев оценки процесса; отображение протекания процесса в удобной для оператора форме, в том числе оповещение обслуживающего персонала о возникновении аварийных ситуаций и состоянии программно-аппаратных средств ИИС; формирование отчетной документации по основным этапам технологического процесса.
Структура информационной системы такого рода в основном зависит от применяемого канала передачи данных. В настоящее время известны следующие основные каналы передачи данных: радиоканал, использующий различные частотные диапазоны связи и протоколы передачи данных. Оборудование каждого из удаленных объектов системы может состоять из нескольких устройств связи, передающих сообщения центральной станции. Неудобство организации связи по радиоканалу состоит в том, что он не защищен от внешнего вмешательства, например, от «забивания» или помех, вызванных изменением погодных условий или окружающей среды. В некоторых случаях оборудование трансформаторных подстанций располагается в области так называемой «радио тени», что ведет к неустойчивости связи и требует применения дополнительных антенных устройств (или ретрансляторов). Дальность связи по радиоканалу определяется высотой подъема антенн, условиями распространения радиоволн и составляет в условиях города до 30 км, в условиях открытой местности - до 40 км Примером подобной системы может служить система телемеханики «Омь»; оптические каналы связи (требуется прокладка волоконно-оптических линий связи). Подобная система, например, была опробована в Кузбасской энергосистеме [82]. Достоинством систем с оптическим каналом связи является скорость передачи данных, однако их построение является дорогостоящим мероприятием и требует тщательного скрытия световодных линий от механических повреждений;
Система централизованного сбора данных по силовым кабельным сетям
Предлагаемая в данной работе идея построения системы централизованного сбора данных по силовым сетям основана на использовании временного разделения канала между элементами информационной сети. Особенность построения таких систем состоит в том, что их работа должна учитывать время реакции типовых систем защиты, что, в свою очередь, требует разработки специфичной временной структуры связи отдельных элементов ИИС. Кроме того, при изменении топологии куста РП (либо при добавлении новых элементов ИИС), каждая новая точка должна установить связь с КТ РП, то есть подобрать свой режим работы.
Исходя из поставленной задачи, была предложена следующая схема функционирования ИИС диагностики силовых кабельных сетей.
Рассмотрим разветвленный куст РП с несколькими ТП. Через установленный период времени микроконтроллер приёмо-передачи КТ РП формирует широковещательную (команда микроконтроллерам приёмо-передачи всех ТП данной ветки) синхрокоманду, которая содержит в себе код несущей частоты передаваемого сигнала. В случае, если такой же микроконтроллер на каждой КТ ТП примет синхрокоманду и корректно её расшифрует, то в зависимости от адреса в данной сети он произведет установку собственного интервала задержки и запомнит код частоты. Интервал задержки определяет время сеанса связи для каждой КТ куста, а код частоты - несущую частоту сигнала, формируемого передатчиком каждой КТ. Если же синхрокоманда не будет распознана всеми КТ, то по алгоритму, заложенному в контроллер КТ РП, изменится частота несущей и соответствующий ей код. Смена кода в синхроко-манде будет происходить до тех пор, пока не будет установлена связь со всеми КТ куста. При этом контроллер РП запоминает частоты всех ответивших точек. На рис. 2.1 приводится диаграмма распределения времени связи КТ РП с каждой КТ ТП, поясняющая предлагаемый алгоритм настройки связи.
Согласно описанным выше условиям функционирования системы передача данных со всех КТ ТП должна укладываться в интервал времени 0.3 сек (время срабатывания автоматики при коротких замыканиях). Пусть S - количество КТ ТП в рассматриваемом кусте РП. В случае удачного приема на КТ РП в первый 0.3 секундный интервал передача данных со всех КТ ТП прекращается до истечения периода посылки синхрокоманды Ts, либо до момента возникновения нештатной ситуации. Данный период определяется количеством дискретных градаций адаптивной подстройки частоты передатчика РП Ch к изменяющимся параметрам канала связи [35]. Структура информационных сообщений (включая синхрокоманду) описывается ниже.
Верхняя часть диаграммы отображает временной интервал посылки широковещательной синхрокоманды Ts, состоящий из ряда 0.3 секундных интервалов. Последние включают в себя (рис. 2.1):
СС - время посылки синхрокоманды; СП - (синхропауза) время, затрачиваемое на обработку синхроимпульса в любой из КТ; 1-HS (подинтервалы 0.3 секундного интервала) - временной поддиапазон приёмо-передачи; Прд -интервал передачи данных с КТ ТП; ТехП - техническая пауза между двумя последовательно идущими интервалами передачи (необходима для того, чтобы КТ РП успела корректно распознать, перераспределить информацию и рассчитать контрольную сумму полученного пакета данных).
Если по окончании приема контрольная сумма всех пакетов, принятых микроконтроллером приемо-передачи КТ РП правильная, то весь остальной интервал времени в (Ts-О.З) секунд приемник КТ РП «слушает» линию и ничего не передает. В случае же, если контрольная сумма не сходится, микроконтроллер КТ РП в начале следующего 0.3 секундного интервала изменяет частоту передатчика и посылает новый синхросигнал с указанием номеров КТ ТП, пакеты которых приняты неверно, и условной командой производит запрос повторной передачи (Например, КТ ТП №3 на рис. 2.2).
Несмотря на то, что запрос проходит только по одной точке, повторная передача данных с выбранной КТ ТП происходит строго в свое временное окно, начало которого определяется номером данной ТП. Если в приведенном на рис. 2.2 примере новый принятый пакет состояния ТПЗ опять не сходится по контрольной сумме (или обнаружена неопределенность в распознавании сообщений), то передатчик КТ РП изменяет частоту и снова посылает команду на повтор передачи КТ ТПЗ. В силу того, что градаций по частоте приемника S, то вышеописанный механизм повторяется до S раз, и, если, исчерпав цикл перестройки, пакет от ТП №3 снова приходит неверный (или не распознается), микроконтроллер КТ РП вырабатывает сигнал аварийной ситуации «Потеря связи с ТП №3», который в свою очередь передается на диспетчерский пульт. В общем виде описанный алгоритм настройки связи приведен в виде блок-схемы нарис. 2.3.
Рекурсивная обработка данных с учетом топологии сети
Одним из основных параметров определения надежности силовой кабельной сети является вероятность безотказной работы P6.p(t) [90]. В свою очередь эта вероятность зависит от свойств нагрузки сети, а, следовательно, и от вероятности появления избытка реактивной мощности в отдельной кабельной ветви Ри.мО). Обе эти величины связаны показателем неустойчивости исследуемого участка р„.у, то есть коэффициентом подверженности пробою в результате превышения уставок электрических параметров кабеля: P6.p(t) = р„.у Ри.м(0 (3.9) Если t&H - время работы сети в рамках нормированных параметров, то вероятность того, что время нормальной работы сети больше, чем t запишется в виде Ри.мО) = Ри.м(їб.и 0- Данную зависимость можно назвать законом устойчивости сети к выбросам в нее реактивной энергии. Вероятность того, что в результате выброса энергии произойдет отказ (авария) участка сети Q(t) запишется как Q(t) = Q(t6.H t). При этом с ростом параметра t от 0 до оо вероятность Q(t) изменяется от 0 до 1. Подсчитать такую вероятность можно при помощи коэффициента избытка мощности на заданном участке силовой сети, который в свою очередь вычисляется через наблюдение за основными параметрами сети.
Используя статистические данные о характере потребления мощности, подсчитывается параметр потока реактивной мощности, превышающей максимально допустимое значение в ветви распределительной сети. Если принять, что w(t) - среднее количество фактов превышения максимально допустимой реактивной мощности Qmax дон. в ветке данной трансформаторной подстанции в единицу времени, то для куста ТП, питающихся от некоторого РП параметр потока описанных событий a i(t) определится так: mmMb!± Ht (3.,0) n-At где An(t,t + At) - количество ТП с переизбытком реактивной мощности в питающих ветвях за время At; п - число ТП в кусте. Пусть Тпр - время превышения допустимых значений реактивных мощностей в ветке ТП, тогда коэффициент переизбытка реактивной мощности в дереве РП: K = o)(t)„p. (3.11)
Коэффициент избытка мощности в исследуемых кабелях РП определяет вероятность пробоя вследствие перенапряжений и позволяет выявлять наиболее опасные в смысле возможных пробоев участки распределительной сети. Чем выше этот коэффициент, тем больше вероятностный показатель того, что в сети произойдет неустранимое повреждение. Используя этот коэффициент можно определить надежность сети, а также подходящую категорию электроприемников, с последующим проведением мероприятий по изменению топологии электроснабжения.
Исходя из указанной возможности выявления надежности отдельных составляющих сети, а также прогнозирования повреждений, вызываемых в результате динамики параметров нагрузки, предлагается методика диагностики и прогнозирования сети. Основная суть её описана в [30] и заключается в том, что отдельные элементы системы вычисляют параметры токов и напряжения сети в различных её точках и, после их предварительной обработки, по известному алгоритму сравнивают полученные величины с уставками.
Диагностика на основе баланса мощностей
В кабельных распределительных сетях возможности регулирования напряжения невелики и при их построении должно выполняться условие АШб Аидоп - допустимая потеря напряжения всегда должна быть больше наибольшей допустимой потери напряжения либо равна ей [37]. Допустимые потери в распределительных сетях - это такие потери, при которых отклонение напряжения на зажимах всех электроприемников (ЭП) не выходят за пределы предусмотренных ГОСТ технически допустимых значений, то есть: V=U-UHOM, (3.12) V V V+. Известно, что для любой сети переменного тока можно записать выражение баланса активных и реактивных мощностей для определенного момента времени. Особый интерес представляет соотношение [80]: ХЄг=Ібл=Еа,+ІАб. (3-13) где Qr - генерируемая реактивная мощность источников мощности; Q/{ -реактивная мощность нагрузки; ]Г Д - суммарные потери реактивной мощности в сети; Qn - суммарное потребление реактивной мощности.
Нарушение описанного баланса реактивной мощности вследствие резкого изменения характера нагрузки приводит к изменению уровня напряжения в сети (вплоть до возникновения явления так называемой лавины напряжения). В свою очередь, в соответствии с формулой для напряжения (3.6) в конце линии U2 с ростом реактивной мощности (в силу того, что обычно в распределительной сети реактивное сопротивление больше активного х г), увеличиваются потери напряжения в линии AUi2. При этом предполагается, что Ui поддерживается постоянным. Рк-г +Ок-х U2 /, -Шп =UX - п п Уп и (3.14) Возникновение потерь приводит к изменению уровня напряжения в сети. Если генерируемая реактивная мощность становится больше потребляемой, то напряжение в сети повышается. Вследствие подобных бросков напряжения могут происходить пробои ослабленных участков.
Учет подобных бросков для каждого контролируемого участка сети возможен при использовании индивидуальных уставок (допустимых отклонений) параметров измеряемых мощностей. В силу того, что мгновенная мощность может быть подсчитана исходя из измеренных параметров тока и напряжения, то любое нарушение баланса можно представить в виде некоторого образа состояния сети. Так, в первой главе показывается возможность построения образов неисправных участков сети на основе векторных моделей различного рода неисправностей. Однако определением факта возникновения неисправности на участке и установлением его типа задача диагностики не заканчивается. В силовых кабельных сетях напряжением 6-Ю кВ, работающих в схеме с изолированной нейтралью в случае аварии возникают некоторые трудности при определении поврежденного участка [47]. Поиск поврежденного участка производится этапами без отключения элементов сети и требует значительных затрат времени [55]. Данную проблему можно решить путем использования оперативных средств функциональной диагностики, которая оперирует данными, измеряемыми в отдельных узлах сети.
Функциональное описание и общие технические характеристики
Работа системы в режиме слежения При работе силовой сети в штатном режиме система позволяет следить за текущими параметрами отдельных участков сети (отдельных ТП). При этом оператор может выбрать интересующий его участок и получить информацию о пофазном распределении тока, о напряжениях на шинах силового моста, о частоте сети, об относительных фазовых сдвигах между векторами напряжений и токов. Кроме того, на основе хранимых данных могут анализироваться суточные и сезонные изменения загруженности отдельных ТП, динамика характера нагрузок (соотношения активной и реактивной составляющих), суточные и сезонные изменения параметров самой линии на данном участке и т.д. (рис. 4.4, 4.5,4.6).
Система может также отобразить полную загрузку данного фидера, как по участкам (нарастающим итогом) так и по фидеру в целом (в соответствии с рис. 4.7, 4.8, 4.9). На этих иллюстрациях видно, как последовательно от участка ТП-122 нагрузка возрастает к ТП-133, и становится полной нагрузкой фидера на выходе ТП-239. Сравнение этих экранных копий интерфейса программы «Диспетчерский пульт» с предыдущими, представляющими собой копии, сделанные в том же временном интервале, но в режиме отображения нагрузок отдельных участков, позволяет наглядно представить разницу между проходящей и собственной нагрузкой каждого из участков (так как ТП-122 являлась концевой в данной цепи подстанций, ее характеристики при переключении режима работы программы не изменились). На иллюстрациях видно последовательное изменение от участка к участку полной, активной и реактивной составляющих проходящих мощностей. По ним также можно проследить изменение нагрузки каждой из фаз подземного высоковольтного фидера. Проведенное в ходе эксперимента сравнение полной загрузки фидера по данным системы с показаниями приборов на РП-7 продемонстрировало практически полную идентичность данных.
Таким образом, способность системы к правильному отображению параметров нескольких последовательных участков подземной силовой линии при штатном режиме работы сети можно считать экспериментально подтвержденной.
Работа системы в режиме индикации неисправностей сети Наиболее трудно диагностируемым повреждением подземных силовых кабельных сетей с изолированной нейтралью является однофазное замыкание на землю. Естественно, что потенциально опасными являются любые типы коротких замыканий высоковольтных кабельных линий, однако признаки локальных двух-, а тем более трех-фазных замыканий значительно более заметны, а вероятность их возникновения значительно ниже, чем для однофазных замыканий. В случае однофазного замыкания явных, заметных сразу, признаков аварийной ситуации не наблюдается - сеть продолжает работать, потребитель получает энергию и т.д. Однако, если длительное время не замечать такую неисправность, она может привести к развитию двухфазных, да еще и множественных, замыканий линии. А множественные неисправности кабельной сети трудно находить и трудно устранять.
Поэтому в проводившихся испытаниях в качестве нештатной ситуации было выбрано однофазное замыкание на землю (рис. 4.10-4.17).
Традиционно для диагностирования однофазного замыкания на землю используются трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП), которые размещаются на входных кабелях. Появление токов нулевой последовательности в ТТНП сигнализирует о том, что на данной ветке присутствует перекос фаз, а, следовательно, возможно однофазное замыкание. Изменение направления тока нулевой последовательности на данном участке свидетельствует о наличии на нем повреждения. В ходе эксперимента было доказано, что разработанный алгоритм диагностики позволяет избавиться от необходимости использовать ТТНП в качестве датчика КЗ.
