Versteckte Gefahrenwarnung und Fehlerentfernungsmesssystem für Niederspannungsnetze Lösung

1. Szenaranalyse

 1.1 Hauptprobleme, denen die Verteilernetzleitungen gegenüberstehen

Traditionelle mittelspannungs-Verteilernetze verwenden oft eine baumartige, strahlenförmige Topologie, bei der der Energiestrom während des normalen Betriebs einseitig im Netz fließt. Mit dem Aufbau intelligenter Netze wird das Verteilernetz zu einer mehrzweigen, luft- und kabelgebundenen Leitung mit kreisförmiger Topologie und moderner komplexer Verteilernetztopologie mit dezentralen Energiequellen. Die mehrzweige, hybride, kreisförmige Topologie und die dezentralen Energiequellen des Verteilernetzes ändern die Übertragungseigenschaften von Fehlerreise Wellen, erhöhen die Schwierigkeit der Extraktion von Fehlereigenschaften und die Unsicherheit des Energiestroms. Die dynamische Neukonfiguration der Fehlertopologie bringt große Herausforderungen für die Überwachung des Fehlerzustands des Verteilernetzes mit sich. Derzeit sind die Hauptprobleme, denen die Verteilernetzleitungen gegenüberstehen, wie folgt:

• Entwicklungsrückstand und Ungleichgewicht

In den letzten Jahren hat die Verteilnetzausbau viel Aufmerksamkeit erhalten und die Investitionen stetig zugenommen. Aufgrund eines Mangels an anfänglichen Investitionen und einer großen Anzahl historischer Schulden ist jedoch die Entwicklung von Verteilnetzen, insbesondere mittelspannungsbasierten, immer noch hinter den Übertragungsnetzen zurückgeblieben. Das Problem der ungleichmäßigen Entwicklung zwischen Stadt und Land sowie zwischen östlichen und zentral-westlichen Stromnetzen bleibt auffällig. Das aktuelle Verteilnetz hat Probleme mit Entwicklungsrückständen und ungleichmäßiger Entwicklung, und seine Versorgungszuverlässigkeit hinkt noch hinter dem internationalen Fortschrittsniveau hinterher, was es schwierig macht, den Bedürfnissen der wirtschaftlichen Entwicklung gerecht zu werden.

• Geringe Vernetzung und schwache Netzstruktur,

Die Netzstruktur auf 10-kV-Spannungsniveau ist immer noch schwach. Fast die Hälfte der 10-kV-Leitungen sind noch nicht vernetzt, und der Anteil der ländlichen Netzverbindungen beträgt nur ein Drittel des städtischen Netzes, was auf eine schlechte Vernetzung hinweist.

• Mangel an Endgeräten und Managementplattformen, niedriges Automatisierungsniveau

Das Niveau der Verteilnetzautomatisierung ist relativ niedrig und befindet sich noch in den Kinderschuhen. Die Fehlersuche, -isolierung und -behebung dauern lange, was es schwierig macht, Netzwerkneukonfiguration und Selbstheilung zu erreichen. Dies spiegelt sich in einer schlechten gegenseitigen Versorgungsfähigkeit wider, wodurch die Wiederherstellung der Stromversorgung lange dauert.

• Grunddatenisolierung und veraltete Informationstechnologien

Die Verteilnetzverwaltung umfasst verschiedene Abteilungen wie Entwicklung, Agrarstrom, Betrieb und Prüfung, Marketing und Planung, wobei Grunddaten über verschiedene Systeme verteilt sind. Die Datenstandards und -modelle zwischen den Systemen sind inkonsistent, und es fehlt an Datenfreigabemechanismen. Die geringe Investition und das Bau-Niveau des Verteilnetzes haben zu einem relativen Rückstand in der Entwicklung von Kommunikations- und Informationssystemen geführt, und es gibt einen Mangel an Informationskanälen. Dies spiegelt sich in einer schlechten Verwaltungsfeinheit wider, wobei Daten, Grafiken und Informationen nicht übereinstimmen.

• Die Schutzstrategie hat Nachteile und birgt erhebliche Sicherheitsrisiken

Bei einem Hochwiderstands-Erdschlussfehler im Verteilernetz arbeitet es mit "Verletzung". Zum Beispiel kann ein Einphasen-Erdschlussfehler leicht zu elektrischen Schlägen von Personen oder Geflügel führen und Schaden an Menschen und Tieren verursachen; Im Verteilnetz sind Wildfeuerfehler aufgetreten, Hochwiderstands-Erdschlussfehler sind schwer zu identifizieren, und die Relais-Schutzelemente schalten nicht aus, was Sicherheitsrisiken darstellt.

Die technischen Fragen und Herausforderungen, die die sichere und stabile Betriebsführung des Verteilnetzes beeinträchtigen, müssen durch hochwertige Verteilnetzautomatisierungssysteme gelöst werden. Das Verteilnetzfahndiagnosesystem ist ein wichtiger Bestandteil des Verteilnetzautomatisierungssystems, das die Warnung vor abnormen Zuständen der Verteilnetzleitungen, genaue Fehlerortung, Identifizierung von Fehlertypen, Ortsschutz usw. realisiert, und bietet Datengrundlagen für schnelles Fehlerbeseitigung und automatische Wiederherstellung der Verteilnetzautomatisierung.

1.2 Lösungen zur Warnung vor potenziellen Gefahren in Verteilnetzleitungen

Die Fehlerortung im Verteilnetz, als eine Schlüssel-Funktion zur Gewährleistung einer zuverlässigen und hochwertigen Stromversorgung, ist ein Schwerpunkt der Forschung in der Verteilnetzautomatisierungstechnologie. Laut Statistiken relevanter Abteilungen des Stromnetzes werden 80% oder mehr der Stromausfälle im Netz durch Fehler im Verteilnetz verursacht. Um das Automatisierungsniveau des Verteilnetzes zu verbessern und ein intelligentes Verteilnetz aufzubauen, ist es weiterhin notwendig, Forschung und Anwendung zur kontinuierlichen Optimierung des Normalzustandes des Verteilnetzes und zur schnellen Positionierung von Fehlerstellen durchzuführen. Der Schlüssel zur Lösung der kontinuierlichen Optimierung des Normalzustandes des Verteilnetzes und der schnellen Positionierung von Fehlerzuständen liegt in der automatischen Überwachung des Verteilnetzes, der genauen Fehlerortung und der frühzeitigen Warnung vor abnormen Fehlern. Es ist ein wichtiger Teil des Aufbaus intelligenter Verteilnetze in Smart Grids, entspricht den Anforderungen nationaler Großstrategien und hat große Bedeutung für die Förderung der strategischen Anpassung der Struktur der Stromnetzindustrie, die Lösung großer Flaschenhälse in der Entwicklung des Energie-Internet der Dinge und die Verbesserung der Qualität der Stromversorgung.

Das Verteilnetzfahndiagnosesystem ist ein wichtiger Bestandteil des Verteilnetzautomatisierungssystems. Das Verteilnetzfahndiagnosesystem basierend auf Künstlicher Intelligenz und Edge-Computing verfügt über Funktionen wie Frühwarnung bei abnormen Zuständen, genaue Fehlerortung usw., was die Stabilität des Verteilnetzes effektiv erhöhen, die Fehlerisolierung beschleunigen, die Fehlerwiederherstellungszeit verkürzen und die Kontinuität der Stromversorgung verbessern kann. Gleichzeitig kann das System Web-Browsing, mobile SMS-Benachrichtigungen ermöglichen und die Fehlersuche und -behebung leiten. 

2. Gesamtkonzeptentwurf

2.1Fehlerreisewellen-Ortungsprinzip für Verteilnetzleitungen

Die Fehlerortung von Verteilnetzleitungen basiert auf Reisewellen-Ortungstechnologie. Das grundlegende Prinzip ist in Abbildung 2.1 dargestellt. Die Doppelseiten-Reisewellen-Ortungsmethode wird verwendet, um die genaue Lage des Fehlerpunktes basierend auf der Zeitdifferenz zwischen den Reisewellen, die durch benachbarte Überwachungspunkte bei Fehlern und potenziellen Gefahren in der Verteilerleitung passieren, zu berechnen; Der Hauptschaltpunkt-Algorithmus kann basierend auf den Installationslinieninformationen jedes Überwachungspunktes eine Netztopologie bilden, wodurch eine vernetzte Fehlerreisewellen-Distanzmessmethode entsteht. Die Ortergebnisse jedes Überwachungspunktes werden gegenseitig überprüft und angepasst, was die Genauigkeit der Fehlerdistanzmessergebnisse effektiv und präzise sicherstellt. Gleichzeitig kann das System auch eine Warnung vor potenziellen Gefahren in Verteilernetzleitungen geben, mit einer Fehlerortungsgenauigkeit von bis zu 150 m, was starke Unterstützung für Wartungsarbeiten bietet und die Selbstwiederherstellbarkeit der Stromversorgung der Verteilernetzleitungen verbessert.

Dabei sind L1 und L2 die Entfernungen vom Fehlerpunkt zu den Überwachungspunkten 1 und 2, L die Entfernung zwischen den beiden Überwachungspunkten, T1 und T2 die Zeiten, zu denen die Überwachungspunkte 1 und 2 die Reisewelle detektieren, und v die Geschwindigkeit der Reisewelle. 

Abbildung 2.1 Schematische Darstellung der Doppelseitenreisezeitsignal-Positionierung

2.2 Produktbeschreibung des Entwurfs

Das Designkonzept für die Warnung vor versteckten Gefahren und die Fehlerortung in Verteilungsleitungen umfasst stangenmontierte Schaltgeräte - Fehlerdistanzmessungstyp, externe Verteilnetzreisezeitsignal-Distanzmessvorrichtung, Verteiltransformatorreisezeitsignal-Distanzmessendgerät und verteiltes Verteilungsleitungsfehler-Online-Überwachungsgerät. Die Installationskonfiguration des Geräts ist in Abbildung 2.2 dargestellt.

Abbildung 2.2 Schematische Darstellung der Produktkonfiguration für das vorgeschlagene Lösungskonzept

• Fehlerortungsgerät für Verteilungsleitungen

Die externe Anwendungsmethode des Reisezeitsignal-Distanzmessmoduls im Verteilnetz wird für den Bestandsumbau bestehender Verteilungsleitungen verwendet. Es wird zwischen dem ursprünglichen Leitungsschalter und dem FTU installiert und über Flugzeugsteckerkabel für eine lebende Installation verbunden. Das Gerät verwendet dasselbe Signal wie das Modul, und alle Eingangssignale sind isoliert. Das Reisezeitsignal-Positionierungsmodul und der FTU-Controller sammeln unabhängig voneinander die entsprechenden Signalmengen, isolieren und verarbeiten sie, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. 

• Fehlerortungsendgerät für Verteilungsleitungen

Das Fehlerortungsendgerät für Verteilungsleitungen verwendet hauptsächlich das Prinzip der Doppelseitenreisezeitsignal-Positionierung als Fehlerortungsmethode. Das Gerät wird auf der Sekundärseite des Verteiltransformators der Verteilungsleitung installiert und extrahiert das Reisezeitsignal, das bei einem 10 kV-Leitungsfehler von der 10 kV-Primärseite auf die Niederspannungsseite an der 400 V-Leitung übertragen wird. Es löst umfassend das Problem der Blindstellen der Reisezeitsignal-Überwachung am Ende von Leitungsverzweigungsfehlern. 

• Verteiltes Fehlersicherheitsüberwachungsgerät für Verteilungsleitungen

Das Gerät wird direkt auf den Drähten der Verteilungsleitung installiert, wobei es eine Koppelinduktionsstromversorgung, Solarenergie und Batteriestromversorgung verwendet. Für den normalen Betrieb des Geräts muss die Leitungslast 5 A erreichen. Es wird hauptsächlich als Backup für die endgültige Lösung eingesetzt und in Situationen angewendet, in denen es wenige Schalter gibt oder zu viele Verzweigungen, die Überwachungspunkte erfordern.

• Stangenmontierter Schalter - Fehlerdistanzmessungstyp

Der Fehlerdistanzmessungstyp installiert ein Reisezeitsignal-Distanzmessmodul im FTU, was der traditionellen Schalterfehlerisolierungsfunktion eine präzise Fehlerortungsfunktion hinzufügt. Das Modul verwendet das Sekundärsignal des Schalters und kann Dreiphasen-Stromfrequenzinformationen, Reisezeitsignal-Strom, Reisezeitsignal-Spannung, 3U0-Signal, 3I0-Signal usw. erfassen. Es kann flexibel nach dem Typ des Transformators des Schalters angepasst werden, ob elektromagnetisch oder elektronisch. Das Reisezeitsignal-Distanzmessmodul kann auf verschiedene FTUs angepasst werden, einschließlich Kasten-, Hauben- und tief integrierter FTUs. Das Reisezeitsignal-Distanzmessmodul wurde gemeinsam mit mehreren Schalterherstellern vor Ort eingesetzt.

2.3 Gesamtentwurf für das Fehlerortungssystem der Verteilnetzleitungen

Das Verteilnetzfaultdiagnosesystem besteht aus drei Teilen: Zustandsüberwachungsebenen, Datenanalyseebenen und Systembewertungsebenen. Die Gesamtarchitektur ist in Abbildung 2.3 dargestellt. darunter

• Zustandsüberwachungsebene

Die Zustandsüberwachungsebene umfasst Informations Erfassungsgeräte (wie Stromsensoren, Spannungssensoren, Vibrationssensoren, Temperatursensoren, Bildaufnahmesysteme, Umweltsensoren, Schaltstatussensoren, Draht- und drahtlose Kommunikation usw.), Zustandsausgabe Geräte (wie Schaltgeräte, Lastschalter, Warnanzeigen usw.), um die Echtzeit-, Online- und hochgenaue Erfassung und Kommunikation von multiplen Informationsquellen zu ermöglichen;

• Datenanalyseebene

Die Datenanalyseebene, einschließlich der Warn- oder Fehlerereignisanalyse und Alarmierung, basiert auf Edge-Computing und intelligenter Berechnung, um die Echtzeitüberwachung und die zuverlässige und genaue Positionierung des lokalen und weiten Bereichsstatus des Systems zu realisieren;

• Systembewertungsebene

Die Systembewertungsebene umfasst eine Strukturerkennungseinheit, eine Netzwerkrekonstruktionseinheit, eine Fehlerintelligent Inspektionseinheit, eine Fehlerartenerkennungseinheit, eine Abnormer Zustand Vorhersageeinheit, eine Schwachstellenbewertungseinheit und eine Erfahrungsfälle-Bibliothekseinheit. Basierend auf einer umfassenden Analyse ermöglicht es die Warnung vor abnormen Zuständen und die Selbstprüfung verborgener Fehler des Steuer- und Schutzsystems.

Abbildung 2.3 Schematische Darstellung der Architektur des Verteilnetzfaultdiagnosesystems

Technische Merkmale der Systemlösung:

• Methode zur Identifizierung von Fehlerarten und Extraktion von Fehlermerkmalen in Verteilnetzen

Auf der Grundlage der Schalterinformationen, 3U0-Informationen, Stromfrequenz-Elektrikinformationen, Stromfrequenz-Fehlerstrom- und Spannungsprotokolldateien, Hochfrequenz-Fehlerstromprotokolldateien, Hardware-Reisezeitsignal-Informationen und anderen Informationen der Verteilungsleitung werden künstliche Intelligenzmethoden verwendet, um Verteilnetzfehlermerkmale zu extrahieren, um eine effektive Berechnungsgrundlage für die Warnung vor abnormen Zuständen im Verteilnetz und die genaue Fehlerortung bereitzustellen; Untersuchen Sie die Wellenformmerkmale von Verschmutzung, Baumbarrieren, Vereisung, treibenden Gegenständen, gebrochenen Leitungen, Hochwiderstandserdungsfehlern oder abnormen Zuständen von Verteilnetz-Isolatoren, bilden Sie eine abnorme Wellenformmerkmalfingerabdruckbibliothek, extrahieren Sie Fehlermerkmalfaktoren und verwenden Sie Ähnlichkeitsanpassung von Merkmalfaktoren, um abnorme Zustände der Verteilungsleitung zu identifizieren. 

• Weitreichende Fehlerortungsmethode basierend auf Verteilnetzen

Rekonstruieren Sie die Netzwerktopologie von gemischten Freileitungs-Kabelleitungen, mehrfachen Verzweigungsleitungen und Verteilnetzleitungen mit variablen Topologiestrukturen, und verwenden Sie weitreichende Netzwerkpositionierungsmethoden, um weitreichende Distanzmessungen und umfassende Optimierungsmethoden für Verteilnetze zu erreichen. 

• Online-Überwachung und Warnung vor versteckten Gefahren

Versteckte Gefahren, die durch unzureichende Isolationsdistanz verursacht werden, wie Baumbarrieren, Vogelschäden, treibende Gegenstände, Isolatorverschmutzung und Vereisung, erzeugen alle schwache Reisezeitsignale vor dem Durchschlag. Das Reisezeitsignal wird entlang des Drahtes zu beiden Enden übertragen, indem schwache Reisezeitsignale auf der Sammelleitung überwacht und analysiert werden, um die Doppelseitenpositionierung und Warnung vor versteckten Gefahren auf der Sammelleitung zu erreichen. 

3.Datenkommunikation und Systementwurfsvorschlag

Das verteilte Fehlersicherheitsüberwachungsgerät, das Fehlerortungsgerät und das Fehlerortungsendgerät für Verteilungsleitungen verwenden alle APN-Karten, die vom Energieversorger festgelegt wurden, und 4G- oder 5G-Wireless-Kommunikationsmethoden.

Es wird empfohlen, ein System zur Fehlerdiagnose des Verteilnetzes im Stadtamt einzurichten. Das System kann unabhängig auf Servern oder Verteilnetz-Cloud-Hauptplattformen installiert werden und kann über Kommunikationsprotokolle wie MQTT und HTTP mit der Immobilienverwaltungsplattform verbunden werden, um Daten zu sammeln und eine stadtweite Fehlerdiagnose des Verteilnetzes durchzuführen. Das System kann in das Automatisierungssystem des Verteilnetzes integriert werden.

4. Prinzipien für die Auswahl von Installationspunkten

Die Anforderungen an die Positionierung von Laufwellenpositionierungsprodukten im Verteilnetz sind im Vergleich zu Übertragungsleitungen geringer. Die Spannungsebene der Verteilnetzleitungen ist niedrig, und die Amplitude der Fehlersignale der Laufwelle ist relativ gering. Darüber hinaus wird das Laufwellensignal bei jedem Durchgang eines Wellenimpedanz-Unstetigkeitspunktes (wie z.B. T-Anschluss der Leitung, Verbindungspunkt zwischen Kabel und Freileitung) gebrochen und reflektiert, wodurch die Amplitude des Laufwellensignals abnimmt. Um sicherzustellen, dass das Fehlersignal der Laufwelle beim Senden zum Überwachungsgerät erkannt werden kann, folgt die Ausstattung des Überwachungsgeräts normalerweise dem Prinzip einer Abstandsauswahl von 3-5 km. Die spezifischen Anforderungen lauten wie folgt:

• Wenn automatische Schalter an der Speisung und am T-Anschluss der Leitung installiert sind, werden FTU-Laufwellendistanzmess-Terminals bevorzugt. Normalerweise wird ein Satz von Laufwellenpositionierungseinrichtungen in der Nähe des Schalters am Anfang und Ende der Leitung installiert, und die Installation in der Mitte der Leitung hängt von der Länge der Leitung und dem Zustand der Nebenleitungen ab. Wenn es keine Nebenleitungen in der Mitte gibt, kann ein Satz etwa alle 5 Kilometer installiert werden. Bei mehreren Nebenleitungen sollte ein Satz maximal alle 3 Nebenleitungen (kurze Nebenleitungen mit einer Länge von weniger als 200 Metern können ignoriert werden) installiert werden. Wenn es mehrere Nebenleitungen in der Mitte gibt, sollte der Abstand zwischen den Überwachungsgeräten nicht mehr als 3 Kilometer betragen.
• Wählen Sie Verteiltransformatoren aus und installieren Sie Laufwellendistanzmess-Terminals etwa 1 Kilometer vorne und hinten an den Nebenleitungen, wobei höchstens 2 Zwischen-Nebenleitungen empfohlen werden.
• Wenn es in der Nähe desselben Installationspunktes mehrere Verteiltransformatoren zur Auswahl gibt, sollte der Transformator mit der größeren Kapazität bevorzugt werden, um das Laufwellendistanzmess-Terminal zu installieren.

5. Detaillierte Entwurfskonzepte für die Warnung vor versteckten Gefahren und die Ortung von Fehlern in Verteilnetzleitungen

Als Pilotleitungen wurden die folgenden 5 Verteilnetzleitungen ausgewählt: siehe Abbildungen 5.1-5.5.

Abbildung 5.1 Pilotroute 1

Abbildung 5.2 Pilotroute 2

Abbildung 5.3 Pilotroute 3

Abbildung 5.4 Pilotroute 4

Abbildung 5.5 Pilotroute 5