Мікропроцесорні системи і методи визначення комутаційного ресурсу високовольтних вимикачів тягових мереж Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.325

Л. Л. ГОНЧАРОВА (ДЕТУТ)

Державний економко-технолопчний уыверситет транспорту, кафедра «Автоматиза^я та комп'ютерно - ш-тегрованi технологií транспорту», 03049, Кив - 49, вул. Лукашевича, 19, тел.: 099-288-12-08, ел. пошта:, [email protected]

М1КРОПРОЦЕСОРН1 СИСТЕМИ I МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ КОМУТАЦ1ЙНОГО РЕСУРСУ ВИСОКОВОЛЬТНИХ ВИМИКАЧ1В ТЯГОВИХ МЕРЕЖ

Постановка проблеми

Ршення комплексно! проблеми оргашзаци на-дiйностi функцiонування тягових електричних мереж i оптишзацл режимiв електроспоживання пов'язано з необхiднiстю проведення циклу нау-кових дослщжень в сферi iнтелектуалiзацi! спектру процедур управлiння швидкоплинними технолоп-чними процесами електропостачання залiзницям. Суттеш можливостi сучасних мiкропроцесорних засобiв i комп'ютерних мереж та iнформацiйних технологш створили основу для появи нового на-прямку «розумно! енергетики» i вщкрили новi можливосп оргашзаци iнтелектуальних мереж електропостачання в яких найшло вiдображення сучасних тендендiй цiноутворення, особливостей функцiонування швидкоплинних процесiв елект-ропостачання, а також використання енергоресур-ав включаючи спектр взаемних послуг м1ж суб'ектами ринку електроенергл [1-3]. Оргашзащя iнгелектуальних тягових електричних мереж базу-еться на нових принципах самовщновлення i са-морегуляци, що е основою сучасних SMART Grid - технологи яю, на сьогодшшнш день, е загально-визнаними у свт [2]. В той же час, необхдно вщ-мiтиги, шо на ефективтсть електропостачання i безаварiйнiсть роботи енергосистеми суттево впливають висою значення параметрiв потоку вiдказiв високовольтних комутацшних апаратiв, що характеризуеться, в першу чергу, недостаттм застосуванням мiкропроцесорних засобiв мошто-рингу параметрiв режимiв для проведення анашзу роботоспроможностi i прогнозу аварiйних ситуа-цiй високовольтних вимикачiв [3,4]. Домiнуючим, при цьому, е комутащйний ресурс високовольтно-го апарату який нормуеться як допустиме число вiдключень i являеться показником надiйностi.

Аналiз останшх дослщжень i публiкацiй показав, що експлуатащя високовольтних вимикачiв неможлива без засобiв комп'ютерно! дiагностики яка завдяки мон1торннгу функцiонування забезпе-чуе своечасно персонал iнформацiею про фактич-ний стан комутацшного апарату [2]. Неповнота отриманих первинних iнформацiйних даних про-являеться в сукупносп негативних впливiв у ви-

глядi збшьшент втрат, погiршеннi нацiйностi роботи та неекономiчностi режимiв. В рядi публша-цiй американських i европейських енергетичних компанiй акцентуеться увага на те, що викорис-тання мшропроцесорних засобiв монiторингу i дiагностики вщкривае сугтевi можливостi удоско-налення обслуговування комутацiйних апаратiв з рiзним дугогасшм середовищем (повiтряним, еле-газовим, масляним), зменшити термiн техшчного обслуговування, зменшити бшьш як в два рази число !х вiдказiв та об'ективно регулювати мiжре-монтт строки по фактичному стану високовольтних вимикачiв [2-4]. В умовах значного старшня парку високовольтних комутацiйних апарапв, тд-вищених потокiв вщмов та несвоечасного техшч-ного переозброенням електромереж природним стало питання комп'ютерно! iнтелекгуалiзацi! процедур реестрацл, обробки, передачi i представления шформацл для контролю i дiагносгику комплексу важливих парамегрiв вимикачiв в процесi комугацi! тд напругою, аналiзуваги !х роботосп-роможтсть та прогнозувати рiвень !х нащйносп.

Вщокремлення нерозв'язаних ран1ше час-тин загальноТ проблеми

Проведена автором сукуптсть наукових дост-джень в предметнш област управлiння i штелек-туатзаци процедур керування електропостачан-ням дозволили зробити висновок, що питанням дiагностики експлуатацiйного стану комутацiйних апаратiв, виявленню дефектiв в процесi !х функщ-онування, запобiгання вiдмов, оптимiзацi! техшч-ного обслуговування апарапв в науково-техшчнш лiтературi придiлено високу увагу в теоретичному i прикладному аспектах. В той ще час питанням створення комп'ютерних засобiв безперервного мониторингу параметрiв режимiв роботи високовольтних вимикачiв i в першу чергу вузшв та еле-ментiв, що мають великий рiвень уразливост для контролю поведiнки головно! контактно! мережi та функщональних елементiв управлiння вимика-чами - компоненпв дугогасильних пристро!в i !х приводiв придiлено не достатньо уваги.

© Гончарова Л. Л., 2016

Мета роботи

Розробка математичних моделей уразливих ву-злiв високовольтних вимикачiв i методiв синтезу мшропроцесорних систем монiторингу i визна-чення комутацiйного ресурсу.

Основний матерiал дослщження

До комплексу показниив, що е найбiльш вщ-повiдальними при вщображент експлуатацiйного стану високовольтних комутацiйних апарат1в мо-жна вщнести промiжок часу включення i вщклю-чення вимикача, тривалостi горiння дуги, величина струму, що вщключаетъся, залишковий ресурс, наявтсть повторного загорання. Вищевказанi характеристики необхдно контролювати в повпря-них, масляних i елегазових вимикачах. Крiм того, в деяких повпряних вимикачах необхщно вести постiйний контроль вологосп газу в дугогасному середовищ^ в масляних комутацiйних апаратах проводити монiторинг температури i рiвня масла, його прозоросп, а для елегазових необхщний пос-тiйний контроль вологосп, щiлъностi, кислотност елегазу концентрацл продукпв його розпаду, ная-внiстъ часткових розрядiв i витоку елегазу. Для забезпечення надiйностi функцiонування комута-щйних апаратiв необхщно проводити шд напру-гою монiторинг комплексу важливих параметрiв з врахуванням 1х передюторп для ощнки 1х техшч-ного стану, аналзу роботоспроможност i прогнозу можливих аварiйних режимiв. Неповнота зарее-строваних первинних даних в процеа експлуатацл може негативно проявитися в попршент надшно-стi роботи, зб№шент втрат електроенерги i нее-кономiчностi електроспоживання. Тому при ство-рент сучасних мiкропроцесорних засобiв мотто-рингу режимiв i визначення комутацiйного ресурсу високовольтних вимикачiв необхiднi обгрунтоваш технiчнi рiшення. Для виконання функцш комутацл в процесi електропостачання популярними стали елегазовi високовольтт апа-рати тдвищено! надiйностi в яких висок технiчнi параметри досягаються завдяки використанню в якост iзолюючого середовища шертного елегазу, електроiзолюючi властивосп якого вищi шж в по-вiтря майже в три рази. Для забезпечення надiйно-стi, довговiчностi i високого рiвня якост роботи комутацiйних апарат1в розглянемо приклади орга-нiзацiю комп'ютерних засобiв проведення пiд на-пругою постiйного монiторингу сукупностi пара-метрiв сучасних елегазових високовольтних вими-качiв. В процесi виконання комутацiйних процедур елегазовим вимикачем головною проблемою е органiзацiя постiйного контролю електричного зношення контакпв, що необхiдно реалiзувати вщ початку ^ розмикання контактiв до менту 1к пов-

ного зникнення струму при виконаннi комутацш-но! операцл. Величина К, що характеризуе елек-тричне зношення контакпв в резулътатi виконання вщповщно1 ] комутацл може бути визначена зп-дно виразу [1-3]

а

(1)

и

де ¡(^ - значень струму, що пропкае через контак-ти ельгазового високовольтного вимикача в момент комутаци. Повне електричне зношення контакпв К" по кожнш фазi високовольтного елега-зового вимикача за проведених вiдповiдно " ко-мутащйних процедур може бути визначено наступним чином

/7

Я" = £ ¡12«)Л.

(2)

Отриманi параметри монiторингу К i К" можуть бути використанi для прогнозу критичного запасу Яккр комутащйного ресурсу вимикача за допомогою наступно1 залежносп

</Г

(3)

:,тах

де к 1 - значення ресурсу, що надаеться згiдно техшчних умов, електричного зношення контактiв високовольтних елегазових вимикачiв.

По аналоги можна визначити критичний час

Ткр горiння дуги в момент комутаци

•/■тах _ т,(

<

гркр

(4)

де ттах - максимальний час горiння дуги, що надаеться зпдно техшчних умов; г" - час гор1ння дуги за п комутацiй, що визначаеться зпдно виразу

т° =

(5)

У=1

Екстремалънi значення струмiв в процеа виконання _)-1 комутацл можуть бути визначеш як

]

тах

;

тах

■ е ■

1ШП 4 ' ■

1ШП

7 = 1,2,.л .

(6)

п

© Гончарова Л. Л., 2016

Запас надiйностi по струму комутащйних апарапв обчислюегься зпдно

■J ш;

ij. -i3. min min

,

(7)

з з

де гшах' гШп - вiдомi значення максимального i мммального струму, що надаються зпдно техшч-них умов.

Дуже важливою характеристикою е такий по-казник як запас надiйностi по тиску Pj дугогасно-

го газу в камерi високовольтного вимикача, що може бути записано

Pi Pz

(8)

де Pj - тиск газу в камерi комутацшного апарату в

npoucci виконання j - ï комутаци; Р3 - значення тиск газу, що надаеться згiдно технiчних умов.

Схемна реатзащя мiкропроцесорноï системи монiторингу комутацiйного ресурсу високовольтних вимикачiв, органiзована з единих шформацш-

них позицiй i орiенгована для проведення мошто-рингу технiчного стану будь якого типу високовольтного комутащйного апарату, наведена на рис. 1.

В систем проводиться комп'ютерний мошто-ринг широкого спектру параметрiв таких як вщп-рацьований вимикачем ресурс, залишковий ресурс, критичний ресурс та його граничт значення, а також реалiзуеIъся прогноз величини надiйностi i визначення перед-аварiйних та аварiйних режи-мiв з метою формування експрес i повноï шфор-мацiï для передачi ïï на всi рiвнi керування елект-ропостачанням з метою прийняття оперативних рiшень. Комп'ютерна система включае м^опро-цесор для оргашзаци безперервного мошторингу високовольтних вимикачiв i обробки та представ-лення первинно1' iнформацiï, а також набiр елект-ронних ключiв, шифраторiв, запам'ятовуючого пристрою, регiстрiв, дешифраторiв, формувача аналогових сигнашв, аналого-цифрового перетво-рювача i чотирьох портового модуля для забезпе-чення комунiкацiï мшропроцесорно1' системи з комп'ютерним середовищем керування електро-постачанням на тягу.

Дш

ЗП

ж

ту

Ж

и

ЮТ

ФА

ДШ

И И И U

Рис. 1. Мшропроцесорна система мониторингу комутацшного ресурсу високовольтних вимикач1в тягових мереж

Пюля запуску мiкропроцесорноï системи мотторингу комутащйного ресурсу високовольтних вимикачiв проводиться ïï шсталящя i обробляеться ряд процедура на предмет можливого обмiну ш-формацiею з верхшм рiвнем керування електропо-стачанням, тсля чого виконуеться процедура, що переводить систему в робочий режим. В процеа функцiонуваннi системи мотторингу, за заданим перiодом Т реашзуеться опитування сукупностi датчиюв аналогових сигнашв струму i(t), тиску Pj, температури, моменту ts початку вщключен-

ня високовольтного вимикача i ряду iнших, а також дискретних сигналiв, що характеризують стан

системи захисту. Аналоговi сигнали через вщповь днi ключi i формувач аналогових сигнал посту-пають на вхщ аналого-цифрового перетворювача де представляються у вигляд цифрового е^вале-нта i записуються в пам'ять мiкропроцесора. В той же час, дискретт сигнали за допомогою шифрато-рiв шифруються у виглядi вiдповiдного цифрового значення i записуються також в запам'ятовуючий пристрш мiкропроцесора. Пiсля реестрацiï пер-винноï iнформацiï мiкропроцесором проводиться анашз на предмет появи сигналу ts початку вщк-

лючення комутацiйного апарату. Якщо сигнал ts

© Гончарова Л. Л., 2016

Дш

мп

ш

ш

k

Р

k

Р

Дш

ЧПМ

з'явився, то в MiKponpo^copi реалiзуeться обчис-лювальний процес значень вторинних napaMeTpiB згiднo математичних залежностей (1)-(8) якi ви-значають режим комутащйного апарату. В той же час, м^опроцесор запускае таймера в роботу i з заданою частотою f опитуе датчик юнця виклю-чення кoмутaцiйнoгo апарату. В момент вщклю-чення високовольтного вимикача, мжропроцесо-. Tg

ром рееструегься термш горшня дуги i вщпо-вiднo момент зникнення струму. Пюля цього в мiкpoпpoцеcopi, на ocнoвi обчислених значень су-купнocтi пapaметpiв зпдно математичних виpaзiв (1)-(8) проводиться aнaлiз технiчнoгo стан високовольтного вимикача. Якщо ресурс високовольтного комутащйного апарату вщповщае технiчним умовам, тобто не критичний, то процедура мош-торингу продовжуеться. В тому випадку коли ресурс критичний, то мшропроцесором формуеться екcпpеc-iнфopмaцiя i повна шформащя про анома-льний режим високовольтного кoмутaцiйнoгo апарату. Дaлi мiкpoпpoцеcopoм за допомогою чоти-рьох портового модуля, що забезпечуе ряд комуш-кaцiйних процедур мжропроцесорно1 системи з комп'ютерних середовищем керування електропо-стачанням на тягу, вся шформащя передаеться на вищi piвнi упpaвлiння для прийняття вiдпoвiдних ршень.

Висновки

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Стасюк О.1., Гончарова Л.Л., Максимчук В.Ф. Методи оргашзацп штелектуальних електричних мереж зал1зниць на основ1 концепци SMART Grid // 1нформац1йно-керуюч1 системи на зал1зничному транспорта - 2014. № 2 -С.29 -37.

2. Буткевич О.Ф., ЛевконюкА.В., Стасюк О.1. Шдвищення надшносп мониторингу допустимосп завантажень контрольованих перетишв енергосис-тем // Техшчна електродинамжа. - 2014. - №2 - С. 56-67.

3. Гончарова Л.Л. Математичш модел комп'ютерно1 1нтелектуал1зац11 технологш синхрон-них векторних вим1р1в параметр1в електричних мереж // Гончарова Л.Л., Стасюк О.1. Юбернетика i системний анал1з, Кшв-2016, №5 - С 41-49. http://www.kibernetika.org,

4. Гончарова Л.Л. Диференцшш математичш мoделi дocлiдження комп'ютерно1 apхiтектуpи все-режимно1 системи керування диcтaнцiï електропос-тачання зaлiзниць // Гончарова Л.Л., Стасюк О.1. Кiбеpнетикa i системний aнaлiз, Кшв-2017, № 1 - С 1-8. http://www.kibernetika.org,

Надшшла до друку 15.12.2016.

© Гончарова Л. Л., 2016

1. На ocHOBi проведеного аналiзу сучасного стану тягових мереж i силових електричних об'екпв тягових пiдcтанцiй показано, що сучасш тенденци забезпечення високого рiвня ефективно-cтi i oптимiзацiï електропостачання пов'язаш з не-обх1дн1стю проведения циклу наукових досль джень в cферi iнтелектуалiзацiï спектру процедур управлшня швидкоплинними техиoлoгiчиими процесами електропостачання залiзиицям та без-перервного мон1торингу параметрiв режишв робо-ти високовольтних вимикачiв i в першу чергу вуз-лiв та елемеитiв, що мають великий рiвень уразли-вocтi для контролю пoведiнки гoлoвнoï кoитактнoï мереж1.

2. На ocнoвi проведених дocлiджеиь розглянуто ряд математичних моделей i комп'ютерно-oрieнтoваних метoдiв визначення надiйнocтi ураз-ливих вузлiв високовольтних кoмутацiйиих апара-тiв як основи синтезу комп'ютерних заcoбiв про-ведення пiд наругою cерiйнoгo мон1торингу пара-метрiв режишв високовольтних вимикачiв в про-цеа виконання кoмутацiйиих процедур.

3. Запропоновано мiкрoпрoцеcoриу систему визначення комутащйного ресурсу високовольтних вимикачiв тягових мереж, що реалiзуe з единих шформащйних пoзицiй мон1торингу параметрiв режимiв, контроль функщонування та прогноз за-лишкового, вiдпрацьoванoгo, i критичного ресурсу.

REFERENCES

1. Stasjuk O.I., Goncharova L.L., Maksymchuk V.F. Metody organizacii' intelektual'nyh elektrychnyh merezh zaliznyc' na osnovi koncepcii' SMART Grid [Methods of intelligent electrical networks of railways on the concept of SMART Grid] // Informacijno-kerujuchi systemy na zaliznychnomu transporti. [Information controlling systems for railway], 2014, No 2, pp.29 -37.

2. Butkevych O.F., LevkonjukA.V., Stasjuk O.I. Pidvyshhennja nadijnosti monitoryngu dopustymosti zavantazhen' kontrol'ovanyh peretyniv energosys-tem [Improving the reliability of monitoring admissibility downloads intersections of controlled power systems] // Tehnichna elektrodynamika [Technical electrodynamics], 2014, No 2, pp. 56-67.

3. Goncharova L.L. Matematychni modeli komp'jutemoi' intelektualizacii' tehnologij synhron-nyh vektornyh vymiriv parametriv elektrychnyh me-rezh [Mathematical models of computer technologies intel-lectualization synchronous vector measurements of parameters of power networks]. Kibernetyka i systemnyj analiz [Cybernetics and System Analysis], 2016, No 5, pp. 41-49. http://www.kibernetika.org,

4. Goncharova L.L. Dyferencijni matematychni modeli doslidzhennja komp'juternoi' arhitektury vse-rezhymnoi' systemy keruvannja dystancii' elektropo-stachannja zaliznyc' [Differential mathematical model studies computer architecture vserezhymnoyi distance control system electrical railways]. Kibernetyka i

systemnyj analiz [Cybernetics and System Analysis], 2017, No 1, pp. 1-8. http://www.kibernetika.org

Внутршнш рецензент Кузнецов В.Г.

Зовшшнш рецензент Стасюк О.1.

Наведено результати аналiзу сучасного стану наукових дослщжень в сферi iнтелектуалiзацií процедур оптимiзацií електропостачання на тягу, показано, що сучасн тенденцп забезпечення високого рiвня ефек-тивносп i оптимiзацií електропостачання пов'язанi з необхщыстю проведення циклу наукових дослщжень в сферi iнтелектуалiзацií спектру процедур управлшня швидкоплинними технологiчними процесами електропостачання залiзницям та безперервного моыторингу параметрiв режимiв роботи високовольтних вими-качiв. Наведенi математичнi моделi i комп'ютерно-орiвнтованi методи визначення надiйностi уразливих ву-злiв високовольтних комутацiйних апарапв як основи синтезу комп'ютерних засобiв монiторингу парамет-рiв режимiв. Запропоновано мкропроцесорну систему визначення комутацiйного ресурсу високовольтних вимикачiв тягових мереж, що реалiзуe з единих iнформацiйних позицш монiторингу параметрiв режимiв, контроль функцюнування та прогноз залишкового, вiдпрацьованого, i критичного ресурсу.

Ключовi слова: математична модель; метод; ресурс; моыторинг; мкропроцесорна система.

Государственный экономико-технологический университет транспорта, кафедра «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии транспорта», 03049, Киев-49, ул. Лукашевича, 19, тел.: 099-288-1208, эл. почта: [email protected]

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОММУТАЦИОННОГО РЕСУРСА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ТЯГОВЫХ СЕТЕЙ

Приведены результаты анализа современного состояния научных исследований в сфере интеллектуализации процедур оптимизации электроснабжения на тягу, показано, что современные тенденции обеспечения высокого уровня эффективности и оптимизации электроснабжения связаны с необходимостью проведения цикла научных исследований в сфере интеллектуализации спектра процедур управления мимолетными технологическими процессами электроснабжения железным дорогам и непрерывного мониторинга параметров режимов работы высоковольтных выключателей. Приведены математические модели и компьютерно-ориентированные методы определения надежности уязвимых узлов высоковольтных коммутационных аппаратов как основы синтеза компьютерных средств мониторинга параметров режимов. Предложено микропроцессорную систему определения коммутационного ресурса высоковольтных выключателей тяговых сетей, реализует с единых информационных позиций мониторинга параметров режимов, контроль функционирования и прогноз остаточного, отработанного и критического ресурса.

Ключевые слова: математическая модель; метод; ресурс; мониторинг; микропроцессорная система.

Внутренний рецензент Кузнецов В.Г. Внешний рецензент Стасюк О.И.

State Economic and Technological University of Transport, Department of "Automation and computer-integrated transport technology," 03049, Kiev-49, Lukashevich st., 19, tel.: 099-288-12-08, e. mail: [email protected]

MICROPROCESSOR SYSTEMS AND METHODS FOR DETERMINING SWITCHING RESOURCES HV CIRCUIT BREAKER OF TRACTION NETWORKS

The results of the analysis of the current state of scientific research in the field of optimization procedures intellectualization of electricity for traction, shows that current trends to ensure a high level of efficiency and optimization of power associated with the need for the cycle of research in the field of spectrum management procedures intellectualization fleeting process of continuous power and railways mode monitoring of highvoltage switches. These mathematical models and computer-oriented methods for determining the safety of vulnerable nodes high switching devices as the basis of synthesis of computer monitoring tools mode. A microprocessor system resource definition switching high-voltage switches traction networks, realizing the only position information monitoring mode settings control the functioning and forecast residual, waste, and critical resource.

Keywords: mathematical model; method; resource; monitoring; microprocessor system.

УДК 681.325

Л. Л. ГОНЧАРОВА (ГЭТУТ)

UDC 681.325

L. L. GONCHAROVA (SETUT)

Internal reviewer Kuznetsov V.G.

External reviewer Stasiuk O.I.

© Гончарова Л. Л., 2016