Алгоритм распознавания типовых неисправностей силового кабеля подземных электрических сетей
 
Эксплуатация КЛ

Алгоритм распознавания типовых неисправностей силового кабеля подземных электрических сетей

23.07.2018
Рубрика: Эксплуатация КЛ

Обсудить на форуме

Информация предоставлена: cyberleninka

3565 просмотров

Одним из основных критериев качественного снабжения электроэнергией потребителя является его бесперебойность, что, в свою очередь, обеспечивается техническим состоянием эксплуатируемых электросетей. Кроме того, качественное электроснабжение определяется возможностями работников электрохозяйства быстро и точно определить место и характер повреждений силовых кабелей. Повысить уровень этого качества призвана разрабатываемая система мониторинга подземных силовых сетей. Данная система представляет собой совокупность устройств, фиксирующих мгновенные значения токов и напряжений в контрольных точках (трансформаторные подстанции). Данные с этих подстанций передаются в распределительные пункты (РП) силовых сетей непосредственно по силовому кабелю. Предварительно обработанная здесь информация поступает на диспетчерский пункт, где осуществляется ее окончательный анализ и оценка состояния сети в целом [1].

В ходе выполнения ряда исследовательских работ, направленных на создание описанной системы мониторинга, необходимо было показать, что при возникновении в подземной силовой сети аварийной ситуации можно распознать характер неисправности, оперируя некоторым набором параметров данного участка сети. В итоге был предложен ряд алгоритмов, позволяющих производить оценку состояния отдельных участков силовой сети.

Алгоритмы реализованы в виде отдельного модуля диспетчерского пульта системы мониторинга, предназначенного для наблюдения за состоянием силовых сетей [2].

Следует отметить, что в ходе испытаний данной системы мониторинга получены экспериментальные данные, характеризующие изменение токов и напряжений высоковольтной линии трёхфазного тока при искусственном создании в ней однофазного замыкания на землю (наиболее часто встречающаяся неполадка высоковольтных линий).

Полученные в результате эксперимента данные были тщательно изучены и проанализированы. Результаты проведённых исследований были использованы при создании в среде Simulink+Matlab модели сети трансформаторных подстанций (ТП). Теоретические данные были дополнены и скорректированы с учётом данных эксперимента. В итоге данные, получаемые при моделировании однофазного замыкания на землю, хорошо совпадали с данными, полученными экспериментальным путём.

Программа распознавания должна выявлять следующие типы неисправностей: короткое замыкание одной фазы на землю, двухфазное короткое замыкание с замыканием на землю, обрыв кабеля с замыканием на землю, двухфазное короткое замыкание без замыкания на землю, обрыв одной фазы, обрыв двух или трёх фаз.

В среде Matlab нами разработан программный модуль, который предназначен для распознавания типа неисправности силового кабеля и определения участка сети, на котором произошла авария.

Алгоритм распознавания типа неисправности основывается на сравнении текущих параметров токов и напряжений на трансформаторной подстанции с параметрами токов и напряжений подстанции при нормальном режиме работы кабельной линии. Входными данными служат массивы значений токов и напряжений линий трансформаторной подстанции, полученные в результате моделирования аварийных ситуации с помощью ранее созданной модели. Пакеты входных данных содержат информацию о векторах токов и напряжений на каждой из трансформаторных подстанций данного ответвления сети. Информация для каждого вектора тока и напряжения трёхфазной сети представлена парой значений – амплитуда вектора и его фаза. Таким образом, в пакете собственных значений одной трансформаторной подстанции хранятся 12 числовых значений.

Анализ сложившейся в сети ситуации предполагает сравнение параметров токов на каждой трансформаторной подстанции с параметрами работы подстанции в нормальном режиме, а также сравнение двух последних замеров параметров для выявления резких изменений состояния сети. Выполнение сравнений в программе распознавания построено на использовании условных операторов. Однако их использование при анализе довольно большого числа параметров сети приводило к сложности вложения их друг в друга. В связи с этим становилось сложным и громоздким описание алгоритма распознавания, а также возрастала вероятность ошибок в программе и становилось затруднительным её дальнейшее развитие и редактирование.

Для оптимизации алгоритма было решено использовать матричный метод представления и обработки данных в программе. Данный метод предполагает объединение данных в матрицы (массивы) по смысловому признаку. Одно из главных преимуществ такого подхода – возможность обработки целыми группами. То есть обрабатываются не отдельно взятые числовые значения, а матрицы данных целиком. При этом матрица воспринимается как единое целое и остаётся возможность доступа к её отдельным элементам.

Для оптимизации алгоритма нам надо преобразовать входные данные в более удобную форму. На основе двух последовательных пакетов собственных значений трансформаторных подстанций получаем две матрицы амплитудных значений всех токов на трансформаторных подстанциях: Mn – текущие значения амплитуд токов, Mp – предыдущие значения амплитуд токов. Далее матричный подход к написанию программы позволяет нам без особых затруднений получить из матриц Mn и Mp вспомогательные матрицы, которые будут использованы при распознавании типа неисправности. В матрице DM будут содержаться абсолютные значения разностей соответствующих элементов исходных матриц Mn и Mp. В матрицу M_sum заносятся значения разностей соответствующих токов. Далее, используя матрицы DM и M_sum, получаем матрицу относительных изменений амплитуд токов I_Otn. Аналогичные преобразования входных данных проводятся для напряжений.

Теперь перейдём непосредственно к алгоритму распознавания. Все аварийные ситуации, которые могут произойти в высоковольтном подземном кабеле, можно отнести к одному из двух классов – короткое замыкание (КЗ) или обрыв. И у каждого из этих классов есть свои характерные признаки. Для короткого замыкания – наличие резкого возрастания токов на одной или нескольких фазах (в зависимости от типа КЗ), для обрывов – напротив, затухание тока одной или нескольких фаз до нулевого уровня.

Для выявления возрастания тока при коротком замыкании используется матрица DM абсолютных изменений амплитуд токов. Ищется максимальное изменение тока, и если оно превышает некоторое предельно допустимое значение dIpred, то это означает, что в сети произошла авария типа короткое замыкание.

Далее надо определить, существует ли превышение тока на других фазах. Если таких превышений не обнаруживается, то мы имеем дело с однофазным замыканием на землю. Порядковый номер превышенной амплитуды в матрице DM позволяет определить неисправную фазу, а также трансформаторную подстанцию, в сети которой произошло короткое замыкание.

Если же обнаружено ещё одно резкое возрастание тока, то в сети произошло двухфазное замыкание, тип которого предстоит определить. Если обнаружено превышение токов всех трёх фаз в сети одной трансформаторной подстанции, то это означает, что произошёл обрыв кабеля с замыканием на землю.

Для определения типа двухфазного замыкания необходим анализ дополнительных признаков. Угол между векторами токов двух замкнутых между собой фаз должен быть близок к 180° (допускается небольшое отклонение от этой величины). Далее анализируем напряжения замкнутых фаз. Если амплитуды этих напряжений близки к нулю (не выше определённого минимального уровня), то обнаружено двухфазное замыкание с замыканием на землю. Если векторы напряжений уменьшились по амплитуде, но не стали ниже предельного значения, а векторы напряжений стали близки по значению друг к другу и перпендикулярны к векторам токов замкнутых фаз, то имеет место двухфазное замыкание без замыкания на землю.

Если в матрице DM обнаружено резкое изменение тока в сторону уменьшения амплитуды, то это означает, что в сети произошёл обрыв. Так же, как и в случае с коротким замыканием, по индексу тока с резким изменением амплитуды мы выявляем аварийную фазу и трансформаторную подстанцию. Затем проверяем состояние токов двух других фаз на этой же трансформаторной подстанции. Если токи этих фаз также резко уменьшились, то обнаружен двухфазный или трёхфазный обрыв кабеля, иначе детектируется однофазный обрыв.

В данной работе предпринята попытка создать методику определения характера неисправности силового кабеля по данным с контрольных точек участка распределенной сети. Разработаны соответствующие алгоритмы анализа участка кабельной линии. По результатам работы был реализован программный модуль к диспетчерскому пульту системы мониторинга, реализующий предложенные алгоритмы определения неисправного участка сети, а также алгоритмы распознавания характера повреждения.

Совместно с Энгельсским филиалом ООО «Облкоммунэнерго» нами были проведены исследования разработанных алгоритмов в режиме «реального» времени на действующем объекте электрических сетей. Было показано, что состояние участков кабельной сети, а также характер неисправностей, возникших в результате повреждения или износа элементов силовой сети можно идентифицировать на основе алгоритмического анализа отдельных рабочих параметров, измеренных на границе этих участков. Дальнейшее развитие предложенной методики определения состояния силовой сети позволит, на наш взгляд, повысить качество обслуживания подземных силовых коммуникаций, а следовательно, повысить уровень качества электроснабжения конечного потребителя.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно