CC BY
9УДК 621.3.048:621.311:621.3.052.32:004.9
ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УМНОЙ ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ
Н. П. Кондратьева, А. А. Шишов ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА
Аннотация. В настоящее время на объектах энергоснабжения 75% аварийных ситуаций вызваны однофазными замыканиями на землю. Используемые в настоящее время методы тепловизионного и ультразвукового контроля не позволяют точно выявить причину возникновения аварий в распределительных сетях. Генераторы поискового тока в силу своей маломощности не могут охватить весь участок диагностируемой цепи. В статье предложены цифровые технологии для реализации умной диагностики изоляции системы электроснабжения с изолированной нейтралью в рабочем режиме, позволяющие в режиме on-line диагностировать сеть и производить анализ полученных данных для заблаговременного предотвращения аварийных ситуаций. Для того чтобы избежать отключения участков и диагностировать сеть в рабочем режиме, предлагается производить проверку системы с помощью токоограничивающего конденсатора, который будет под напряжением подключаться к токоведущим частям каждой фазы и точно определять место однофазного замыкания при любом количестве фидеров. Актуальность этих исследований вызвана тем, что, к примеру, только за два года на одном предприятии были зафиксированы 19 аварийных ситуаций, связанных с однофазными замыканиями на землю. Четыре случая из них привели к полной остановке предприятия. Поэтому разработка цифровых технологий для реализации умной диагностики изоляции системы электроснабжения под напряжением с изолированной нейтралью будет интересна практикам, ученым, исследователям, аспирантам и другим специалистам, стремящимся изучать последние достижения в умном агробизнесе для последующего применения их в реальном мире.
Ключевые слова: сети с изолированной нейтралью, места нарушения изоляции, скрытые нарушения изоляции, однофазные замыкания на землю, WEB AI, ERP, автоматизация.
Цель исследования.
С развитием в последние годы четвертой индустриальной революции, связанное в первую очередь с обучаемостью искусственного интеллекта, возросли и требования к безопасности в энергетического секторе экономики, острым углом встала проблема прогнозирования и предотвращения аварийных ситуаций, вызванные переходными процессами в кабельных линиях энергосистем [1, 2, 3]. Понимая, что классические методы малоэффективны, зачастую трудоемки, затратны, требуют от обслуживающего персонала много времени для качественной оценки ситуации, встал вопрос замены старых способов обнаружения повреждений на современные, вписывающиеся в формат «умных» вещей.
Статистика отказа и неисправностей в энергетике на сегодня говорит о том, что 75% производственных аварийных и предаварийных ситуаций связаны с однофазными
замыканиями на землю и разрушением изоляции проводников [4, 5, 6]. Озабоченность этими исследованиями вызвана тем, что, такие ситуации:
1. Наносят существенный урон экологической безопасности региона, вызванный отказом электрического оборудования, пожарами, розливом ГСМ, нефти и т.п.
2. Приводят к нарушению промышленной безопасности, например, только за два года на одном объекте энергетики были зафиксированы 18 аварийных ситуаций, связанных с однофазными замыканиями на землю. Причем пять случаев развития аварийной ситуации привели к полной остановке энергосистемы предприятия.
3. На уровне МES manufacturing enterprise solutions (корпоративные решения для управления производством) формируют негативный фон, вызывают простои и недовыпуски продукции и как следствие потери капиталовложений, отток инвесторов, рост кредиторской задолженности.
Материалы и методы.
Если рассматривать проблему быстрого определения повреждения линии и обучаемости ИИ на основе ретроспективы событий, для цифровых подстанций с точки зрения единого информационного поля, то можно выделить несколько основных требований, которых стоит придерживаться в обозримом будущем [7, 8]:
1. Единый протокол передачи данных для телесигнализации и телеуправления. Необходимо уйти от неоднородных решений, предлагаемые производителями энергетического оборудования. В настоящее время в устройствах сбора данных и обработки информации уровня АСУТП могут поддерживаться различные протоколы связи, которые порой только усложняют процесс настройки обмена данными с другими устройствами подстанции. Вот только основные из них:
MODBUS RTU/ASCII
MODBUS TCP/IP
МЭК-60870-5-101/103/104
GOOSE
CANBUS
2. Взаимозаменяемость и интеграция. Говоря иными словами, на цифровой подстанции не должно возникать трудностей при замене вышедшего из строя устройств телемеханики, КИП и А, даже если используется продукция различных производителей оборудования. Сюда же можно отнести простоту настройки конфигурации конечного устройства релейной защиты и автоматики. Интеграция без явных ограничений позволит «нарастить» аппаратные средства в древовидной структуре существующей модели в кольцевой или звездообразной топологии сети.
3. Скорость передачи данных по радиоканалу. Сообщение с регистраторов аварийных событий РАС на полевой контроллер телемеханики и в СУБД серверов должно доходить с максимальной пропускной скоростью по широкополосному доступу. В настоящее время не все устройства готовы к такой «цифровизации», особенно на удаленных участках, где попросту нет ретратрансляционных вышек сотовой связи.
Традиционные методы диагностики и обнаружения повреждения, применяемые на объектах защиты, такие, например, как тепловизионный и ультразвуковой контроль, построенные на физических принципах измерения температуры и ультразвуковом методе, не могут с необходимой быстротой и точностью выявлять причину возникновения аварийной ситуации и диагностировать процесс разрушения изолирующего слоя [8]. Малоэффективны
и генераторы поискового тока: в силу своей маломощности такие устройства не способны полностью контролировать объект защищаемой энергосистемы.
Результаты и обсуждение.
Описываемый ниже современный метод решения проблемы, позволяет реализовать «умную» диагностику изоляции систем электроснабжения с изолированной нейтралью: на основе полученных данных производить анализ и прогнозирование для заблаговременной локализации аварийной ситуации.
Для мониторинга энергосети без ее отключения, в рабочем режиме, предлагается осуществлять проверку энергосистемы через частотную модуляцию с использованием емкостной развязки с проводником энергоустановки, функцию которой будет выполнять конденсатор большой емкости с ограничением тока в измерительной схеме будущего устройства.
Ниже приведен сам процесс приема и передачи данных по диагностированию кабельных линий на примере подстанций выше 6 кВ.
Первичный преобразователь - модулятор тока с токоограничивающим конденсатором, размещенный в секции сборных шин запускает с одной точки для всех отходящих фидеров действующей сети (выше 6 кВ) дежурный модулированный сигнал с определенной частотой. Приемники с антеннами, установленные в каждом отходящем фидере и настроенные на несущую частоту модулированного передатчика линии постоянно «следят» за изменением сигнала несущей частоты. Питание для модулятора и приемников активное, составляет 18-24 В и может браться от шкафа оперативного тока подстанции. При изменении от допустимого настраиваемого диапазона несущей частоты, на выходе приемника соответствующего фидера замыкается выходное реле, цепь которого подключена через оптическую развязку на дискретный вход терминала РЗА ячейки, где сформированный и обработанный цифровой сигнал битовой маски определенного байта данных, передается далее по единому протоколу данных на вход регистратора аварийных событий (РАС), сообщающий нам о том, что произошло замыкание на землю или что в настоящий момент происходит коронарное разрушение изоляции кабельной продукции. Такими приемниками необходимо оснастить каждую ячейку подстанции, т.к. в таком случае сократиться время обнаружения неисправности, в отличии от того, если бы в схеме был только один приемник на всю линию.
Для экономии памяти в архивировании данных с устройств, РАС настроен на спорадический прием данных от других устройств РЗА по интерфейсу Ethernet. Это означает, что запись и передача данных на верхний уровень происходит при возникновении события или по запросу. Полученный сигнал РАС транслирует по протоколу TCP/IP в контроллер телемеханики (КТМ) или контроллер присоединений (КП), который совместно с другими цифровыми устройствами представляет единую локальную сеть с маской подсети 255.255.255.0. Такая система опроса и структура с сетевыми адресами удобна тем, что позволяет производить трансляцию с локальных устройств в одном информационном пространстве, с однотипными настройками связи, не нагружая лишний раз СУБД сервера предприятия.
Стоит особо отметить работу OPC-серверов технологию связывания и встраивание объектов. В случае неоднородности и разноформатности данных для трансляции с полевых устройств УСО (устройства сбора и обработки информации), коими являются контроллеры подстанции, OPC позволяет преобразовывать информацию с сетевых драйверов устройств различных производителей к единому формату передачи данных. Представляя собой
программу, установленную на стороне сервера предприятия энергетической отрасли и WEB-клиента, можно в СУБД конвертировать сигнал с контроллеров телемеханики как «однофазное замыкание на землю» либо как «многократное замыкание на землю» для трансляции, например, в SCADA главного предприятия и далее формировать статистику на уровне ERP (уровень стратегического планирования производством).
Выводы.
Меняя традиционный подход и принимая новые требования современных реалий в энергетике, предлагаемое решение по диагностике и локализации аварийной ситуации позволит существенно упростить мониторинг кабельной линии, и что самое главное, ускорить обучаемость ИИ предприятия.
Делая вывод, нельзя не согласиться с тем, что внедрение разработок с использованием цифровых технологий для решения вышеописанных проблем и интегрирования готовых решений в действующий базис и обучаемость ИИ - задача приоритетная для любой страны, приемы и методы развития решения для «умного» диагностирования повреждения изоляции системы электроснабжения под напряжением с изолированной нейтралью будут востребованы в первую очередь научным сообществом, внештатными специалистами, стремящихся освоить новаторские достижения в парадигме новых требований к «цифровому» производству для последующего применения их в новой реальности [8].
Список используемых источников:
1. Тройников И.А Сети телемеханики напряжением более 4 кВ. / Тройников И.А., Кондратьева Н.П. // Современному АПК - эффективные технологии. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию доктора сельскохозяйственных наук, профессора, заслуженного деятеля науки Российской Федерации, почетного работника высшего профессионального образования Российской Федерации Валентины Михайловны Макаровой. 2019. С. 143-149.
2. Филатов, Д.А., Результаты исследований инфракрасной диагностики трансформаторных подстанций 6(10)/0,4 кв / Филатов Д.А., Белов В.В // Актуальные проблемы электроэнергетики. материалы VI Всероссийской (XXXIX Региональной) научно-технической конференции, посвящается 100-летию плана ГОЭЛРО. Нижний Новгород, 2020. С. 266-270.
3. Терентьев, П.В., Рассмотрение различных схем подключения энергоустановок на основе фотоэлектрических солнечных модулей для повышения энергоэффективности электротехнических комплексов объектов сельской местности / Терентьев П.В., Филатов Д.А., Захаров А.Ю., Симонов А.С. // Интеллектуальная электротехника. 2019. № 4. С. 79-90.
4. Филатов, Д.А. Перспективные технологии электроснабжения сельскохозяйственных предприятий на основе твердооксидных топливных элементов /Филатов Д.А., Крюков Е.В., Веселов Л.Е. // Главный энергетик. 2016. № 10. С. 36-39.
5. Кондратьева, Н.П. Повышение надежности эксплуатации электрооборудования и сетей 6-10 кв при использовании цифровых технологий / Кондратьева Н.П., Ваштиев В.К., Радикова А.В., Шишов А.А. // В сборнике: Актуальные вопросы энергетики АПК. Материалы Национальной научно-практической конференции, посвященной 100-летию плана ГОЭРЛО. 2021. С. 42-45.
6. Кондратьева, Н.П. Исследование и разработка устройства мониторинга системы электроснабжения в рабочем режиме / Кондратьева Н.П., Шишов А.А., Ваштиев
В.К., Радикова А.В // Технологические тренды устойчивого фукнционирования т развития АПК. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной году науки и технологии в России. Ижевск, 2021. С. 109-111.
7. Кондратьева, Н.П. Цифровое управление безопасными агроэкологическими электротехнологиями / Кондратьева Н.П., Большин Р.Г., Краснолуцкая М.Г., Батурин А.И., Шишов А.А., Батурина К.А., Радикова А.В., Ваштиев В.К. // Евразийское Научное Объединение. 2021. № 3-1 (73). С. 75-79.
8. Плыкин, В.Д. Возобновляемые источники энергии: учебно-методическое пособие / В.Д. Плыкин. - Ижевск: Изд-во Удмуртский университет, 2012 - 60 с.
Кондратьева Надежда Петровна, заведующий кафедрой автоматизированного электропривода, профессор ФГБОУВО Ижевская ГСХА
Шишов Андрей Алексеевич, аспирант кафедры автоматизированного электропривода, ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА
DIGITAL TECHNOLOGIES FOR THE IMPLEMENTATION OF INTELLIGENT DIAGNOSTICS OF THE ISOLATION OF POWER SUPPLY SYSTEMS WITH ISOLATED
NEUTRAL IN THE OPERATING MODE
Abstract. Nowadays, 75% of emergencies at power supply facilities are caused by singlephase ground faults. The currently used methods of thermal imaging and ultrasonic testing do not allow accurately identify the cause of accidents in electric power distribution systems. The current search generators, due to their low power, cannot cover the entire section of the diagnosed network. The article suggests the use of digital technologies for the intelligent diagnostics of the insulation of power supply system with insulated neutral in the operating mode, allowing on-line diagnostics of the network and analyzing the data obtained for the early prevention of emergency situations. In order to avoid disconnecting sections and diagnose the system in operating mode, it is proposed to check the system using a current-limiting capacitor, which will be connected to the live parts of each phase under voltage and accurately determine the location of a single-phase short circuit for any number of feeders. The relevance of these studies is due to the fact that, for example, during two years at one of the manufactures 19 emergencies related to single-phase ground faults were recorded. Four of these cases led to a complete stop of the production. Therefore, the development of digital technologies for the implementation of smart diagnostics of the insulation of an energized power supply system with insulated neutral will be of interest to practitioners, scientists, researchers, graduate students and other specialists seeking to study the latest achievements in smart agribusiness for their subsequent application in the real world.
Keywords. Insulated neutral system, insulation fault locations, hidden insulation faults, single-phase ground faults, WEB AI, ERP, automation.
Nadezhda Kondrateva1 Andrey Shishov1 1 Izhevsk State Agricultural Academy, Studencheskaya street, house 11, Izhevsk, Russia Email: otverta@mail.ru ; aep isha@mail.ru
