CC BY
66
УДК 621.316.925
И. Н. КРАСНОКУЦКИЙ Ц В. Л. ЮША Ь-
Омский государственный технический университет
ЗАЩИТА, ДИАГНОСТИКА И ФАЗЗИРЕГУЛИРОВАНИЕ ГРУППОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НАРУЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
В статье рассмотрены вопросы защиты, диагностики целостности и фаззирегулирования групповых электрических сетей в электроэнергетической системе наружного освещения. Ключевые слова: групповые электрические сети, электроэнергетическая система, наружное освещение, защита, диагностика, фаззирегулирование.
Система городского наружного освещения является одной из основных в структуре жизнеобеспечения и коммунального хозяйства населенного пункта. Благоприятные условия для работы водителей, обеспечение безопасного движения автотранспорта и пешеходов, отсутствие потерь от дорожнотранспортных происшествий, а также снижение криминальной обстановки во многом обеспечиваются своевременным включением светильников и обеспечением необходимого уровня освещенности. Кроме этого, необходимо учитывать, что такая система является энергоемким объектом, а экономия электрической энергии — это неотъемлемая часть повышения интеллектуализации автоматизированной системы, обеспечивающая ее окупаемость.
Для управления наружным освещением предлагается использовать интеллектуальную систему с применением нечеткой логики. На основе теории нечетких множеств можно выделить семь типов включения групповых электрических сетей наружного освещения (0%, 16.7%, 33.3%, 50%, 66.6%, 83.3%, 100%) [1], которые позволяют получать различные номиналы мощности, в зависимости от типа включения (уровень мощности 100% или 50%) и количества задействованных фаз (при условии их равномерного чередова-
ния) эти состояния приведены в табл. 1. Два из представленных режимов: 16,7 % и 83,3% использовать нецелесообразно, т.к. прирост искусственной освещенности при переходе в эти режимы незначительный, а количество переключений возрастает на 50 процентов. Переход из одного состояния в другое происходит в соответствие с заданными правилами, которые разрабатываются специалистами системы. Эти правила учитывают следующие условия: календарный день года; текущее время суток; текущее расписание (годовое или индивидуальное); значение уличной естественной освещенности. Последний фактор выбора режима можно, несомненно, считать самым важным, на котором должно быть построено управление наружным освещением. Замеры текущей естественной (солнечной) освещенности сравниваются со значениями, обозначенными в правилах, определенных специалистами и заложенных в систему, в итоге выносится решение о выборе режима включения электропитания светильников. На основе полученного решения производятся оперативные переключения системы наружного освещения, в соответствие не только с расписанием, но и с текущими погодными условиями в конкретной географической точке. При этом возникает воз-
Таблица1
Типы включения электропитания светильников
Обозначение режима работы АСДУ НО ъ N5 КМ N8 РМ Р8 РВ
Проценты от максимальной мощности включения, % 0 16,7 33,3 50 66,6 83,3 100
Тип включения Все фазы отключены 1 фаза 50% 2-е фазы 50% или 1 фаза- 100% 3-и фазы-50% или 1-100% и 1 - 50% 2-е фазы-100% или 1-100% 2 фазы 50% 2-е фазы-100% и 1 - 50% 3 фазы 100%
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
132
Рис. І. Структурная схема интеллектуальной системы принятия решения
ч 7G а) A 6G
5С) 4G 3G л 2G 1G G
G 1 2 3 4 б б 7 В 9 1G 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2G 21 22 23 ч 25
1 -переключение в соответствии с годовым расписанием;
2 - переключение под управлением системы нечеткого вывода Рис. 2. Моделирование с идеальным сигналом на входе системы: а - мощность включения, %; б - естественная освещенность, усл. ед.
2
а
можность выбора режима включения светильников для каждого питающего пункта в отдельности, либо группы территориально объединенных питающих пунктов.
Вычисление рекомендуемой мощности включения светильников производится на основе входных переменных «Освещенность» Е, «Режим дня» ЛО, «Время суток» ts, «День года» О и составленного свода правил. Структурная схема интеллектуальной системы принятия решения приведена на рис. 1.
Алгоритм управления наружным освещением осуществляется по методу Мамдани. Переменная «Режим дня» имеет четыре лингвистических состояния: «Утро», «День», «Вечер», «Ночь» и определяется по двум входным переменным «Время суток» и День года». «Режим дня» определяется для того, чтобы обеспечить смещение границ лингвистических состояний в течение года. «Мощность включения» в свою очередь находится по переменным «Режим дня» и «Освещенность». После получения входного массива данных происходит его фаззификация, т.е. преобразование числовых значений в лингвистические переменные и определяются соответствующих функций принадлежности ц(ЛО) и ц(Е). Результатом фаззи-фикации является множество В={Ь.}, где Ь.-значе-ние функции принадлежности для каждого под-заключения свода правил. Далее выполняется агрегирование или процедура определения степени истинности условий по каждому из перечисленных
правил системы нечеткого вывода методом логической конъюнкции.
b" = min{m(RD), m(E)} . (1)
Результатом агрегирования является множество значений функций принадлежности Б" = {b /'}, где /—общее количество входных нечетких правил, определенных на этапе фаззификации.
В качестве метода вывода заключений (активизации) используется метод минимального значения, выполняющий активизацию логического заключения по формуле:
т,'(Рвкл) = min{C,., m(Pm)} (2)
где ц(Рвкл) — функция принадлежности терма, являющегося значением выходной переменной Рвл С — элемент множества C={cJ, который определялся как алгебраическое произведение элементов b4" множества Б" и значений весовых коэффициентов F. для каждого из правил системы нечеткого вывода. В данной системе все коэффициенты F равны единице.
Аккумуляция или процесс нахождения функции принадлежности для каждой из выходных лингвистических переменных Р ={Р }, выполняется по фор-
г вкл к вклн ' “ Г
муле:
m (PeKR) = max{m,. \Рвкл)}, (3)
Питающая линия
Рис. 3. Схема групповых линий при трехфазной системе с нулевым проводом и питанием светильников фазным напряжением:
ИЫ-ИЬ4 - светильники наружного освещения
где ц/(Рвкл) — функция принадлежности, полученная в результате активизации правил нечетких продукций.
В качестве дефаззификации или приведения к четкости применяется метод наибольшего (правого) модального значения:
Р = тах{Р }
вкл вклт '
(4)
где Рвмт — модальное значение (мода) нечеткого множества для выходной переменной рвкл после аккумуляции, определяется следующим образом:
Рвкл т = а^тах{М (Рвл )}
(5)
где-Рме[0,100].
В соответствие с рассчитанным значением мощности включения Рвл формируется набор команд телеуправления для питающего пункта, который выводит светильники на заданный режим работы. В программной среде МЛТЬЛБ была разработана имитационная модель управления электропитанием светильников [2]. На рис. 2б представлен идеализированный входной сигнал естественной освещенности в виде полуволны синусоиды, а на рис. 2а результат работы системы.
Экономия электрической энергии, в зависимости от погодных условий, а именно текущей облачности, может составлять до 50 процентов в часы восхода и заката, или пяти процентов суточного потребления.
Силовые линии наружного освещения разделяются на: питающие, распределительные и групповые. Питающие — это линии от распределительного устройства тяговой подстанции до вводного устройства (ВУ), вводно-распределительного устройства (ВРУ), главного распределительного щита (ГРЩ). Распределительные сети от ВУ, ВРУ, ГРЩ до распределительных пунктов, групповых щитов и пунктов питания наружного освещения. Групповые сети это линии от групповых щитов (питающих пунктов) до светильников. Пример схемы групповых линий при трехфазной системе с нулевым проводом и питанием светильников от фазного напряжения представлен на рис. 3 [3].
Как видно из рис. 3, подключение светильников осуществляется с чередованием фаз питающего напряжения А, В, С. Это делается для того, чтобы уменьшить коэффициент неравномерности освещения при отключении одной или двух фаз в результате аварии. По этой же причине при монтаже силовых линий не подключают установленные рядом светильники к одной фазе питающего напряжения. К то-
му же такой способ подключения эффективен при использовании ночного режима с отключением части светильников и позволяет регулировать общее потребление электроэнергии в зависимости от текущего значения естественной (солнечной) освещенности и времени суток.
Во время функционирования электроэнергетической системы наиболее опасными являются повреждения и ненормальные режимы работы [4]. Для сведения ущерба от повреждений к минимуму необходимо за очень короткие промежутки времени провести аварийные отключения поврежденных участков энергосистемы от неповрежденных. Обеспечение безопасной работы электрических сетей наружного освещения выполняется при помощи защиты от перегрузки и короткого замыкания.
Защита сетей должна выполняться в соответствии с требованиями ПУЭ. Ответвления к осветительным приборам (ОП) необходимо защищать индивидуальными предохранителями или автоматами, если защитный аппарат обслуживает более 20 осветительных приборов на фазу. В цоколе каждой опоры рекомендуется устанавливать предохранители или автоматы, обеспечивающие защиту ответвлений кабельного ввода к ОП. В распределительных линиях, питающих ОП с РЛВД, номинальный ток плавкой вставки должен быть не менее 1,25 рабочего тока, а уставка автомата с тепловым или комбинированным расцепи-телем — не менее 1,5 рабочего тока. Для надежного отключения линий электрических сетей напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью при коротких замыканиях (КЗ) ток КЗ должен быть не менее трехкратного значения номинального тока расцепителя автоматического выключателя (автомата) или плавкой вставки предохранителя, установленных в начале каждой линии [1].
Линии, имеющие большую протяженность, а, следовательно, значительное сопротивление проводников, ограничивающее ток КЗ, должны проверяться на надежность отключения при однофазных КЗ, происходящих в конце линии. Ток двух- и трехфазного КЗ превышает ГОК однофазного, и линия, отвечающая условиям отключения при однофазном КЗ, дополнительной проверки на многофазное КЗ не требует [5].
Питающие пункты, как часть электроэнергетической системы наружного освещения, обеспечены селективной трехуровневой токовой защитой:
первый уровень — автоматические выключатели (электромагнитный и тепловой расцепители). Для
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
этого определяется номинальный ток автоматических выключателей отходящих линий наружного освещения;
второй уровень—программная токовая защита (программно в виде уставок задаются максимальные фазные токи, и время, по истечении которого срабатывает защита и происходит отключение);
третий уровень—аппаратная токовая защита (250 процентов номинального тока за время 100 мс).
Кроме токовых защит, которые отключают групповые отходящие линии от питающего пункта и тем самым изолируют поврежденный участок, диспетчер системы может отслеживать возникновение ненормальных режимов работы при помощи автоматизированного рабочего места (АРМ). На АРМ в виде мнемосхем и графиков отображаются текущие измеренные значения необходимых для контроля параметров с заданными порогами, а в случае выхода за них происходит цветовая и звуковая сигнализация, а также запись события в протокол. При получении такого сообщения диспетчер может отключить участок с ненормальным режимом работы посредством команды телеуправления для предотвращения повреждения оборудования.
Также немаловажную роль в своевременном устранении неисправных линий играет диагностика целостности электрических сетей наружного освещения. Одним из методов является посылка НЧ сигнала на участке линии. При этом передатчик устанавливается на последней опоре наружного освещения, а приемник в начале линии. Каждый передатчик имеет свой уникальный адрес, а в питающем пункте устанавливается контроллер линии, который выполняет следующие функции: обеспечение напряжением питания датчиков; прием информации от датчиков; хранение информации, полученной от датчиков; связь по интерфейсу ЯЯ-485 с контроллером питающего пункта; связь по интерфейсу ЯЯ-232 с внешним устройством (персональным компьютером).
Контроллер устанавливается на проводных и кабельных линиях наружного освещения, удовлетворяющих следующим требованиям:
— в качестве осветительных нагрузок должны использоваться натриевые или ртутные лампы высокого давления ДНаТ или ДРЛ;
— количество натриевых или ртутных ламп высокого давления ДНаТ или ДРЛ между изделием и датчиком линии должно быть не более 30 штук;
— длина контролируемой линии освещения должна быть не более 3 км;
После появления напряжения питания в датчике запускается таймер, который отсчитывает время в соответствии с установленным адресом. По истечении этого времени датчик формирует и передает в линию наружного освещения сигнал. Контроллер принимает (не принимает) сигнал датчика, что свидетельствует об исправности (неисправности) линии НО.
Таким образом, если контроллер линии не получает сигнал с передатчика в течение определенного времени, диспетчеру выдается сообщении об обрыве на этом участке.
Помимо диагностики целостности линии необходимо контролировать работоспособность ламп распределённых объектов системы наружного освещения. В настоящее время такой контроль происходит путем периодического включения в дневное
время линий и визуального осмотра выездными бригадами службы наружного освещения. По ГОСТу допускается 5 % неработающих светильников, при этом возникает проблема выбора эффективного периода осмотра, чтобы не нарушать требования ГОСТа и не проводить такие осмотры вхолостую. На базе автоматизированной распределенной системы наружного освещения можно предложить следующий способ определения процента неисправных ламп в системе, М„и_ %:
N
N6 - N
_ общ испр
N
100%,
(б)
общ
где N испр — количество исправных ламп;
N общ — общее количество ламп.
Зная общий ток, потребляемый всеми лампами 1общ и одной лампой /лампы в заданном режиме работы (полной или неполной мощности), можно определить требуемые значения количества исправных ламп:
N - ^обЩ (71
'' испр I ■
лампы
В свою очередь, программное обеспечение АРМа после такого расчета может предупреждать диспетчера системы о необходимости профилактических работ по замене ламп наружного освещения при достижении допустимого порога в пять процентов, что сделает более эффективным планирование работ службы наружного освещения.
Таким образом, защита и диагностика групповых электрических сетей в электроэнергетической системе наружного освещения выполняет важную функцию в обеспечении её безопасной работы, сохранности оборудования в случае повреждений и своевременное устранение неисправности линий, а фаз-зирегулирование позволяет экономить электроэнергию и эффективно управлять наружным освещением.
Библиографический список
1. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д. А. Поспелова. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. — 312 с. — (Проблемы искусственного интеллекта)
2. Лазарев, Ю. Моделирование процессов и систем в МАТ-ЬДБ / Ю. Лазарев. — Спб.: Питер; Киев: Издательская группа БНУ, 2005. - 512 с.
3. Справочная книга по светотехнике/Под ред. Ю.Б. Айзенберга. — М.: Знак, 2006.- 972 с.
4. Чернобровов, Н.В. Релейная защита энергетических систем / Н.В. Чернобровов, В.А. Семенов. — М.: Энергоатомиз-дат, 1998. — 800 с.
5. Правила устройства электроустановок. — Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2008. — 511 с.
КРАСНОКУЦКИЙ Иван Николаевич, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Компрессорные и холодильные машины и установки», директор нефтехимического института.
Адрес для переписки: e-mail: krasnyii@mail. ru
Статья поступила в редакцию 18.08.2010 г.
© И. Н. Краснокуцкий, В. Л. Юша
