CC BY
64
УДК 621.311, 621.316.9
В.В. Сотников МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ И ТИПИЗАЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ РАБОТАЮЩЕЙ СИЛОВОЙ СЕТИ
Предлагается метод оперативного определения типа и места возникновения повреждений распределительной силовой сети.
Диагностика, силовые сети, информационно-измерительная система, рефлектометрия.
V.V. Sotnikov MATHEMATICAL MODELING OF THE SYSTEM TO LOCALIZATIONS AND TIPIZATIONS DAMAGES WORKING POWER NETWORK
Proposed the operative method determination of a type and placement damages of distributed power network.
Diagnostic, power network, information-measuring system, measurements of the reflections.
Одной из важнейших задач бесперебойного электроснабжения является оперативное и точное определение места и характера повреждения кабельных линий (КЛ) подземных силовых сетей. Применяемые в настоящее время методы локализации неисправностей таких сетей требуют отключения поврежденного участка КЛ для проведения соответствующих испытаний. При этом многократно увеличивается время восстановления работоспособности сети, что неприемлемо для потребителя.
Поэтому исследования, направленные на повышение эксплуатационной эффективности распределительных сетей на основе совершенствования методов диагностики КЛ и разработка специализированных технических средств обнаружения возникающих неисправностей, является актуальной научно-технической задачей.
Для решения этой задачи в рамках ФЦП «Научные и научно-педогогические кадры инновационной России» по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» в ИЦ «Дельта» СГТУ совместно с Энгель-сского филиалом ОАО «Облкоммунэнерго» проводятся работы по созданию системы мониторинга сети «Дельта». Эта система представляет собой совокупность распределенных интегрированных интеллектуальных средств оперативного контроля c расположением модулей по всем трансформаторным подстанциям сети и передачей диагностических данных по КЛ [1]. В системе реализованы такие функции, как автоматическое определение аварийного участка, поврежденной фазы и характера повреждения. К недостаткам системы следует отнести отсутствие возможности определения расстояния до места повреждения поземного силового кабеля.
Этот недостаток может быть устранен модификацией приемо-передающих узлов системы, позволяющей использовать их дополнительно для импульсной рефлектометрии неоднородностей кабельной линии [2]. При возникновении неисправности модифицированная система должна автоматически и оперативно произвести локализацию места повреждения на «горячей линии», т.е. без снятия высокого напряжения с кабеля. Данные рефлектометрии совместно со сведениями о характере неисправности передаются на диспетчерский пункт, где в режиме реального времени производится их анализ. Таким образом, кроме задачи локации повреждений для обеспечения функциональной диагностики сети большое значение
165
приобретает надежность передачи данных по подземной КЛ, в т.ч. при ее нештатном состоянии.
Разработке аппаратного и программного обеспечения системы должен предшествовать этап анализа характеристик возможных неисправностей сети и их влияния на волновые свойства линий. Очевидно, что проведение экспериментальных исследований на поврежденных подземных коммуникациях в «горячем» режиме затруднительно и должно быть сведено к минимуму, поэтому основные сведения об исследуемых объектах могут быть полученные теоретически или при помощи моделирования.
Задачей настоящего работы является теоретические исследования и математическое моделирование участков распределительной сети с возможностью имитации их основных аварийных состояний и определение реакции модели на распространение по ним электромагнитных (ЭМ) возмущений, аналогичных передаваемым по кабелю пакетам данных и зондирующим импульсным сигналам.
В общем случае, уравнения ЭМ волны произвольной формы, в т.ч. и импульсной, параметры которой задаются передаточной функцией - s, распространяющейся вдоль продольной координаты - «х» многожильной кабельной линии могут быть записаны следующим образом:
(Ю(х ^ + Z 1(х, 5) = Е(х, 5) + Ь 1(х,0), + У и(х, 5) = 1(х, 5) + С и (х,0), (1)
йх йх
где полные сопротивление и проводимость линии равны Z(s) = 5-Ь+Я, У(5)= з-С+О, матрицы напряжений, токов, внешних источников ЭДС и тока, а также сопротивлений определяются согласно выражениям:
U( x, s) =
U1( x, s) E1(x,s) Z 11( s ) ■■■ Z 1n ( s )
, E(x, s) = , Z( s) =
Un (x, s) En (x, s ) Zn1( s )• Zra (s)
Л( x, s ) J1 (x, s) M s) ■ •^1n ( s )
I( x, s) = , J(x,s) = , Y( s) =
In (x, s) Jn (x>s ) ?щ( s ) ■■ ■Ynn (s)
(2)
Матрицы сопротивлений, индуктивностей, емкостей и проводимостей составлены из соответствующих погонных элементов ветвей кабельной линии Щ, Ьц Су и
R =
*11 ■ 1* n L11 ■ L1n
* n1 • *nn , L = n1 Lnn , C =
C - C __________C
C11 C12 C1n
,G =
G11 - G12------------G1n
- G, - G 2 ••• G
n1 n 2 n
. (3)
_ С _ С ••• С
Сп1 Сп2 Ст
С учетом граничных условий и при отсутствии постороннего внешнего воздействия для 3-х жильного кабеля может быть получена следующая система уравнений:
(4)
-Uk(x,s)- ТУ^м^Уит(Xs) = 0,
dx m=1
Аналитическое решение этой системы возможно только при равенстве нагрузок и распределенных параметров всех ветвей линии [2]. Для решения поставленной в данной работе задачи необходимо рассмотрение более сложных случаев, которые могут быть изучены методом вычислительного эксперимента с использованием программного комплекса Matlab и Simulink [2, 3]. Эта методика позволяет получать конечные результаты по точности, сопоставимые с натурными экспериментами.
Блок-схема разработанной модели участка распределительной сети приведена на рис. 1. Основные блоки схемы:
- DL1 и DL2 - модель участка трехфазной кабельной линии, со схемой коммутации отдельных ее частей, моделирующей различные виды повреждений (многофазные и однофазные замыкания на землю, обрывы и т.д.). Моделируется блоком Distributed Parameters Line - линия электропередач с распределенными параметрами;
- DL3 и DL4 - модель трехфазных кабельных линий с оконечной нагрузкой, имитирующая соседние участки силовой сети;
- ШМ - модель участков шинных мостов на трансформаторных подстанциях, к которым через шунты подсоединяются разделительно-блокирующие устройства (РБУ);
- RBU - РБУ, изолирующие высоковольтные согласующие устройства модуль - сеть;
- Шунт - линии, шунтирующие шинные мосты по частоте сигнала;
- TrS - трехфазные силовые трансформаторы. Блок - Three-Phase Transformer;
- Г енератор ЧМн - генератор частотно-манипулированного информационного сигнала с основной частотой 400 кГц и девиацией 20 кГц, генератор зондирующих импульсов длительностью 1.25 10-6 сек (полупериод основной частоты);
- Scope - осциллограф;
- потребитель - нагрузка вторичной обмотки силового трансформатора, включенная на звезду с заземленной нейтралью.
Рис. 1. Блок-схема модели участка сети с приемо-передающим модулем и рефлектометром
Достоверность моделирования определяется точностью воспроизведение основных свойств реальных объектов, ниже приведены расчетные параметры наиболее распространенных элементов силовых распределительных сетей, используемые в описанной модели.
Кабель - АСБ-3х150, алюминиевые жилы в пропитанной бумажной изоляции, алюминиевый экран, бронированный двумя стальными лентами с наружным защитным слоем. Расчетная величина волнового сопротивления неповрежденной жилы кабеля ^1 = 56.9 Ом, коэффициент укорочения линии - gк = 6.3.
Силовой трансформатор - ТМ 400/6-04 - двухобмоточный трехфазный понижающий масляный трансформатор промышленного назначения на напряжение обмоток 6.3 кВ/380 В и мощность 400 кВА. Величина сопротивления первичной обмотки силового трансформатора на частоте 400 кГц равна Лвх1=9.92 кОм, поэтому трансформатор при параллельном подключении к линии практически не оказывает влияния на передачу сигнала по кабелю.
Шинный мост - ШМА-16 - трехфазный симметричный неэкранированный с шинами прямоугольной формы сечением 5x40 мм и расстоянием между фазами 240 мм. Сопротивления прямой и нулевой последовательности шинного моста рассчитываются по формулам (6). Из-за больших, чем у силового кабеля, величин погонной индуктивности и меньших значений погонной емкости величина волнового сопротивления одной фазы моста равна 7^2 = 246.7 Ом, а коэффициент укорочения линии - gш = 2.41.
При таких различиях волновых сопротивлений КЛ и шинного токопровода, без принятия специальных мер, следует ожидать больших отражений зондирующих импульсов от границ участков сети и существенных искажений передаваемых сигналов за счет интерференции
волн на многократных отражениях. Проведенные модельные эксперименты по передаче АМ сигнала (рис. 2) и импульсной локации кабеля (рис.3) подтвердили этот вывод. Надежная передача информационного сигнала и достоверная локация неоднородностей КЛ в такой ситуации становятся затруднительными.
Уменьшить влияние шинного моста на передачу и прием сигнала и на разрешающую способ-ность импульсной рефлектометрии можно доработкой схемы включения модуля системы в шинный мост, при которой подклю-чение РБУ к линии происходит через высокочастотный обводной проводник - шунт, включенный параллельно соот-ветствующей фазе шинного моста (Шунт 1, 2 рис. 1). При этом сигнал и тестовый импульс беспрепятственно проходят через узлы силовой сети, имея от них лишь незначительные отражения, которые, не искажая сигнала, обеспечивают реперные концевые отметки системе рефлектометрии (рис. 3 б). Сигнал, отраженный от повреждения линии, многократно превосходит отражения от границ участка распределительной сети (рис. 4).
Проведенные исследования подтвердили, что совокупность первоначальных предложений и найденных решений позволяет обеспечить надежную передачу и дешифровку диагностических данных в т.ч. по участку сильно поврежденной сети (рис. 5).
Рис. 2. Формы переданного (верхний) и принятого сигналов в системе без шунтирования (средний) и с шунтированием шинного моста (нижний рисунок)
Рис. 3. Распространение зондирующего импульса по участку сети без шунта (а) и с шунтом (б)
Рис. 4. Рефлектограмма короткого замыкания (Вю=10 Ом) кабельной линии
Как видно из приведенных диаграмм, частотно-манипулированный сигнал проходит по сильно поврежденному участку кабельной линии, сохраняя частотную структуру, поэтому он будет успешно дешифрован и переданные данные могут быть использованы при диагностике сети.
Выход РВШ
Модулирующий сигнал
1
0.5
О
Выход Р?Ви2
15|-------------------------ь------------------------ь-------------------------ь------------------------ь------------------------ь------------------------ь
5|--------------------------------------н--------------------------------------н--------------------------------------н--------------------------------------н-------------------------------------н--------------------------------------н
о 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5x1 о'*
Рис. 5. Передача ЧМН сигнала (частота 400 кГц, девиация - 60 кГц) по поврежденной кабельной линии (двухфазное короткое замыкание [ВкзА=100 Ом, ВкзВ=10 Ом] и обрыв третьей фазы)
Таким образом, на основе математического и имитационного моделирования в работе показана возможность определения типа неисправности и места возникновения повреждений подземных кабельных линий силовой сети в режиме реального времени.
Кроме того, для поддержки работоспособности сети ее кабельные линии нуждаются в постоянном контроле рабочих параметров и предпочтительным методом такого контроля является импульсная рефлектометрия на «горячей линии». В сочетании со средствами диагностики сети на основе применения интегрированных информационно-измерительных систем, метод позволяет дистанционно и оперативно определить нештатное состояние объекта, без отключения потребителя электроэнергии на длительное время.
Проведенные исследования позволили разработать комплекс оригинальных технических решений для средств диагностирования повреждений силовых КЛ и токопроводов, выполненные на уровне изобретения и обладающие более совершенными техникоэкономическими показателями, чем аналоги.
ЛИТЕРАТУРА
1. Большаков А. А. Математическое моделирование нештатных ситуаций в работе кабельных распределительных силовых сетей / А. А. Большаков, В.В. Сотников // Математические методы в технике и технологиях ММТТ- 23 : сб. докл. Междунар. научн. конф. Саратов : Изд-во СГТУ, 2010.
2. Сотников В.В., Захаров А.А., Большаков А.А. Локализация места повреждения подземных кабелей силовой сети // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий-2010: матер. Все-российск. науч.-прак. конф. молодых ученых. Саратов: СГТУ, 2010. С. 212-215.
3. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МаАаЬ, SymPow-егБу81еш8 и Simulink / И.В. Черных. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288с.
Сотников Вадим Витальевич -
аспирант кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 19.07.11, принята к опубликованию 17.11.11
