Sistema de Advertencia de Peligros Ocultos y Medición de Distancia de Fallos en Líneas de Distribución Solución

1. Análisis de la escena

 1.1 Principales problemas enfrentados por las líneas de red de distribución

Las redes de distribución de media tensión tradicionales a menudo adoptan una estructura topológica de tipo árbol en forma de radiación, en la cual el flujo de energía fluye unidireccionalmente en la red durante la operación normal. Con la construcción de redes inteligentes, la red de distribución se forma en una estructura topológica de múltiples ramas, líneas híbridas de cable aéreo, estructura circular y estructura topológica compleja moderna de red de distribución que contiene fuentes de energía distribuidas. La estructura topológica de múltiples ramas, híbrida, circular y las múltiples fuentes de energía distribuidas de la red de distribución cambian las características de transmisión de ondas viajeras de falla, aumentan la dificultad de la extracción de características de falla y la incertidumbre del flujo de energía. La reconstrucción dinámica de la estructura topológica de la red de falla plantea grandes desafíos para el monitoreo del estado de falla de la red de distribución. Actualmente, los principales problemas enfrentados por las líneas de red de distribución son los siguientes:

• Desarrollo rezagado e inbalance

En los últimos años, la construcción de redes de distribución ha recibido amplia atención y la inversión ha continuado aumentando. Sin embargo, debido a la falta de inversión inicial y a una gran cantidad de deudas históricas, el desarrollo de las redes de distribución, especialmente de las redes de distribución de media tensión, sigue retrasado en comparación con las redes de transmisión. El problema de desarrollo desequilibrado entre áreas urbanas y rurales, así como entre las redes eléctricas del este y del centro-oeste, sigue siendo prominente. La red de distribución actual tiene problemas de desarrollo rezagado y desequilibrado, y su confiabilidad en el suministro de energía aún está por detrás del nivel avanzado internacional, lo que dificulta satisfacer las necesidades de apoyo al desarrollo económico.

• Baja interconexión y estructura de red débil,

La estructura de red de nivel de voltaje de 10 kV sigue siendo débil. Casi la mitad de las líneas de 10 kV aún no están interconectadas, y la proporción de interconexión de la red rural es solo un tercio de la de la red urbana, lo que indica una mala interconexión.

• Falta de dispositivos terminales y plataformas de gestión, bajo nivel de automatización

El nivel de automatización de la distribución es relativamente bajo y aún está en sus inicios. El diagnóstico, aislamiento y recuperación de fallas toman mucho tiempo, lo que dificulta la reconstrucción y autocuración de la red. Se refleja en una mala capacidad de suministro mutuo, la sensación intuitiva es que la restauración del suministro de energía toma mucho tiempo.

• Aislamiento de datos básicos y métodos tecnológicos de información obsoletos

La gestión de la red de distribución involucra diferentes departamentos como desarrollo, energía agrícola, operación e inspección, marketing y programación, con datos básicos dispersos en diferentes sistemas. Los estándares y modelos de datos entre sistemas son inconsistentes, y además, falta un mecanismo de compartición de datos. La baja inversión y el nivel de construcción de la red de distribución han llevado a un retraso relativo en el desarrollo de sistemas de comunicación e información, y a una falta de canales para obtener información. Se refleja en una mala gestión detallada, los datos, gráficos e información no corresponden.

• La estrategia de protección tiene defectos y plantea riesgos de seguridad significativos

Cuando hay una falla de tierra de alta resistencia en la red de distribución, opera con "daño". Por ejemplo, una falla de tierra monofásica puede causar fácilmente descargas eléctricas a personas o aves de corral, y daños a humanos y ganado; La red de distribución ha experimentado fallas de incendios forestales, las fallas de tierra de alta resistencia son difíciles de identificar y la protección por relés no salta, lo que plantea riesgos de seguridad.

Los problemas técnicos y desafíos que afectan la operación segura y estable de la red de distribución dependen de sistemas de automatización de distribución de alto nivel para resolverlos. El sistema de diagnóstico de fallas de la red de distribución es un componente importante del sistema de automatización de distribución, que realiza la advertencia de estados anormales de las líneas de distribución, la localización precisa de fallas, la identificación del tipo de falla, la protección en el sitio, etc., proporcionando una base de datos para la rápida eliminación de fallas y la recuperación automática de la automatización de distribución.

1.2 Soluciones para la alerta de peligros potenciales en las líneas de red de distribución

La localización de fallas en la red de distribución, como una función clave para garantizar un suministro de energía confiable y de alta calidad, es un enfoque de investigación en la tecnología de automatización de la red de distribución. Según estadísticas de los departamentos relevantes de la red eléctrica, el 80% o más de los cortes de energía en la red son causados por fallas en la red de distribución. Para mejorar el nivel de automatización de la red de distribución y construir una red de distribución inteligente, todavía es necesario realizar investigaciones y aplicaciones sobre la optimización continua del estado normal de la red de distribución y la localización rápida de puntos de falla. La clave para resolver la optimización continua del estado normal de la red de distribución y la localización rápida de estados de falla es lograr el monitoreo automático de la red de distribución, lograr una localización precisa de fallas y alerta de fallas anormales de la red de distribución. Es una parte importante de la construcción de redes de distribución inteligentes en redes inteligentes, en línea con las necesidades de las estrategias nacionales importantes, y tiene una gran importancia en promover el ajuste estratégico de la estructura de la industria de la red eléctrica, resolver cuellos de botella importantes en el desarrollo de la Internet de las cosas de la energía, y mejorar la calidad del suministro de energía.

El sistema de diagnóstico de fallas de la red de distribución es una parte importante del sistema de automatización de distribución. El sistema de diagnóstico de fallas de la red de distribución basado en inteligencia artificial y computación periférica tiene funciones de alerta temprana de estado anormal, localización precisa de fallas, etc., que pueden mejorar efectivamente la estabilidad de la red de distribución, acelerar el aislamiento de fallas, acortar el tiempo de recuperación de fallas y mejorar la continuidad del suministro de energía. Al mismo tiempo, el sistema puede lograr la navegación web, notificaciones SMS móviles y guiar la inspección de fallas y la resolución de problemas. 

2. Diseño general de la solución

2.1Principio de localización de ondas viajeras de falla para líneas de red de distribución

La localización de fallas de las líneas de red de distribución se basa en la tecnología de localización de ondas viajeras. El principio básico se muestra en la Figura 2.1. Se utiliza el método de localización de ondas viajeras de doble extremo para calcular la ubicación precisa del punto de falla basándose en la diferencia de tiempo entre las ondas viajeras que pasan por los puntos de monitoreo adyacentes para fallas y peligros ocultos en la línea de distribución; El algoritmo de la estación principal puede formar una topología de red basada en la información de instalación de cada punto de monitoreo, formando un método de medición de distancia de ondas viajeras de falla en red. Los resultados de localización de cada punto de monitoreo se verifican y ajustan mutuamente, asegurando de manera efectiva y precisa la precisión de los resultados de medición de la distancia de falla. Al mismo tiempo, el sistema también puede lograr una alerta de peligros ocultos para las líneas de distribución, con una precisión de localización de fallas de hasta 150 m, proporcionando un fuerte soporte para el trabajo de operación y mantenimiento y mejorando la capacidad de auto-recuperación del suministro de energía de las líneas de distribución.

Donde L1 y L2 son las distancias desde el punto de falla hasta los puntos de monitoreo 1 y 2, L es la distancia entre dos puntos de monitoreo, T1 y T2 son los tiempos en que los puntos de monitoreo 1 y 2 detectan la onda viajera, y v es la velocidad de la onda viajera. 

Figura 2.1 Diagrama esquemático de la localización de ondas viajeras de doble extremo

2.2 Descripción del producto del plan de diseño

El esquema de diseño para la advertencia de peligros ocultos y la localización de fallos en líneas de distribución incluye interruptores de poste - tipo de medición de distancia de fallo, dispositivo externo de medición de distancia de ondas viajeras de red de distribución, terminal de medición de distancia de ondas viajeras de transformador de distribución y dispositivo de monitoreo en línea de fallos de línea de distribución distribuido. La configuración de instalación del dispositivo se muestra en la Figura 2.2.

Figura 2.2 Diagrama esquemático de la configuración del producto para la solución propuesta

• Dispositivo de localización de fallos en líneas de distribución

El método de aplicación externa del módulo de medición de distancia de ondas viajeras en la red de distribución se utiliza para la renovación de existencias de las líneas de distribución existentes. Se instala entre el interruptor de línea original y el FTU, y se conecta a través de cables con enchufe aeronáutico para su instalación en vivo. El equipo utiliza la misma señal que el módulo, y todas las señales de entrada están aisladas. El módulo de localización de ondas viajeras y el controlador FTU recopilan independientemente las cantidades de señal correspondientes, las aíslan y procesan, sin interferir entre sí. 

• Terminal de localización de fallos en líneas de distribución

El terminal de localización de fallos en líneas de distribución utiliza principalmente el principio de localización de ondas viajeras de doble extremo como método de localización de fallos. El equipo se instala en el lado secundario del transformador de distribución de la línea de distribución, y extrae la señal de onda viajera transmitida desde el lado primario de 10kV al lado de baja tensión cuando ocurre un fallo en la línea de 10kV en la línea de 400V del lado de baja tensión del transformador de distribución. Resuelve integralmente el problema de ceguera del monitoreo de ondas viajeras en los fallos de ramas al final de la línea. 

• Dispositivo de monitoreo de fallos distribuidos para líneas de distribución

El equipo se instala directamente en los cables de la línea de distribución, utilizando suministro de energía por inducción acoplada & energía solar & batería. El funcionamiento normal del equipo requiere que la carga de la línea alcance 5A. Se utiliza principalmente como respaldo para la solución final y se aplica en situaciones donde hay pocos interruptores o demasiadas ramas que requieren la instalación de puntos de monitoreo.

• Interruptor de poste - tipo de medición de distancia de fallo

El tipo de medición de distancia de fallo instala un módulo de medición de distancia de ondas viajeras en el FTU, lo que agrega una función de localización de fallos precisa a la función tradicional de aislamiento de fallos del interruptor. El módulo utiliza la señal secundaria del interruptor y puede recopilar información de frecuencia de potencia trifásica, corriente de onda viajera, voltaje de onda viajera, señal 3U0, señal 3I0, etc. Puede ajustarse flexiblemente según el tipo de transformador del interruptor, ya sea electromagnético o electrónico. El módulo de medición de distancia de ondas viajeras puede adaptarse a varios FTUs, incluyendo tipos de caja, capucha y fusión profunda. El módulo de medición de distancia de ondas viajeras se ha aplicado conjuntamente en el campo con múltiples fabricantes de interruptores.

2.3 Esquema general de diseño para el sistema de localización de fallos de líneas de red de distribución

El sistema de diagnóstico de fallos de la red de distribución consta de tres partes: capa de ejecución de monitoreo de estado, capa de análisis de datos y capa de evaluación del sistema. La arquitectura general se muestra en la Figura 2.3. entre las cuales

• Capa de monitoreo de estado

La capa de monitoreo de estado incluye dispositivos de recolección de información (como sensores de corriente, sensores de voltaje, sensores de vibración, sensores de temperatura, adquisición de imágenes, sensores ambientales, sensores de estado de interruptores, comunicación cableada y inalámbrica, etc.), dispositivos de salida de estado (como interruptores, interruptores de carga, indicadores de advertencia, etc.), para lograr la recolección y comunicación en tiempo real, en línea y de alta precisión de información de múltiples fuentes;

• Capa de análisis de datos

La capa de análisis de datos, que incluye el análisis y la alarma de eventos de advertencia o fallos, se basa en el cálculo periférico y el cálculo inteligente para realizar el monitoreo en tiempo real y la localización confiable y precisa del estado local y amplio del sistema;

• Capa de evaluación del sistema

La capa de evaluación del sistema incluye una unidad de reconocimiento estructural, una unidad de reconstrucción de la red, una unidad de inspección inteligente de fallos, una unidad de reconocimiento de tipos de fallos, una unidad de predicción de estados anormales, una unidad de evaluación de vulnerabilidades y una unidad de construcción de biblioteca de casos de experiencia. Basándose en un análisis integral, realiza la advertencia de estado anormal y la detección automática de fallos ocultos del sistema de control y protección.

Figura 2.3 Diagrama esquemático de la arquitectura del sistema de diagnóstico de fallos de la red de distribución

Características técnicas de la solución del sistema:

• Método para identificar tipos de fallos y extraer características de fallos en redes de distribución

Basado en la información de los interruptores, la información 3U0, la información eléctrica de frecuencia de potencia, los archivos de registro de corriente y voltaje de fallos de frecuencia de potencia, los archivos de registro de corriente de fallos de alta frecuencia, la información de ondas viajeras de hardware y otra información de la línea de distribución, se utilizan métodos de inteligencia artificial para extraer características de fallos de la red de distribución, proporcionando una base de cálculo efectiva para la advertencia de estado anormal de la red de distribución y la localización precisa de fallos; Estudia las características de forma de onda de la contaminación, barreras de árboles, hielo, objetos flotantes, cables rotos, fallos de tierra de alta resistencia, o estados anormales de aisladores de la red de distribución, formando una biblioteca de huellas dactilares de características de forma de onda anormal, extrayendo factores de características de fallos, y utilizando la similitud de ajuste de factores de características para identificar estados anormales de las líneas de distribución. 

• Método de localización de fallos de área amplia basado en la red de distribución

Reconstruye la topología de la red desde líneas mixtas de cable aéreo, líneas de múltiples ramas y líneas de red de distribución con estructuras de topología variables, y utiliza métodos de localización de redes de área amplia para lograr la medición de distancia de área amplia y métodos de optimización integral para redes de distribución. 

• Monitoreo en línea y advertencia de peligros ocultos

Los peligros causados por una distancia de aislamiento insuficiente, como barreras de árboles, daños por aves, objetos flotantes, contaminación de aisladores y hielo, generarán señales de ondas viajeras débiles antes del flashover. La señal de onda viajera se transmite a lo largo del cable hasta ambos extremos, monitoreando y analizando las señales de ondas viajeras débiles en la línea de recolección para lograr la localización de doble extremo y la advertencia de peligros ocultos en la línea de recolección. 

3.Propuesta de Comunicación de Datos y Diseño del Sistema

El dispositivo de monitoreo de fallos distribuidos, el dispositivo de localización de fallos y el terminal de localización de fallos para líneas de distribución todos utilizan tarjetas APN designadas por la compañía eléctrica y métodos de comunicación inalámbrica 4G o 5G.

Se recomienda construir un sistema de diagnóstico de fallas en la red de distribución en la oficina municipal. El sistema puede implementarse de forma independiente en servidores o plataformas de nube principal de la red de distribución, y puede conectarse a la plataforma de gestión de propiedades a través de protocolos de comunicación como MQTT y HTTP para la recolección de datos, logrando un diagnóstico de fallas en la red de distribución a nivel de ciudad. El sistema puede integrarse con el sistema de automatización de la red de distribución.

4. Principio para la selección de puntos de instalación 

Los productos de posicionamiento de ondas viajeras en redes de distribución son relativamente bajos en comparación con las líneas de transmisión. El nivel de voltaje de las líneas de distribución es bajo, y la amplitud de las señales de ondas viajeras de falla es relativamente baja. Además, cada vez que pasa por un punto de discontinuidad de impedancia de onda (como el contacto T de la línea, el punto de conexión entre el cable y la línea aérea), la señal de onda viajera sufrirá refracción y reflexión, y la amplitud de la señal de onda viajera disminuirá. Para garantizar que la señal de onda viajera de falla pueda ser detectada por el dispositivo de monitoreo cuando se transmite al dispositivo de monitoreo, generalmente se sigue el principio de espaciamiento de instalación de 3-5 km para la selección y la instalación de los puntos. Los requisitos específicos son los siguientes:

• Cuando se instalan interruptores automáticos en el alimentador y en la unión T de la línea, se prefieren terminales de medición de distancia de ondas viajeras FTU. Generalmente, se instala un conjunto de dispositivos de posicionamiento de ondas viajeras cerca del interruptor al inicio y final de la línea, y la instalación en el medio de la línea depende de la longitud de la línea y la condición de las líneas ramificadas. Si no hay líneas ramificadas en el medio, se puede instalar un conjunto a intervalos de aproximadamente 5 kilómetros. Si hay múltiples ramificaciones, se debe instalar un conjunto a un intervalo máximo de 3 ramificaciones (las ramificaciones cortas con una longitud menor a 200 metros pueden ignorarse). Cuando hay múltiples líneas ramificadas en el medio, la distancia entre los dispositivos de monitoreo no debe exceder los 3 kilómetros.
• Seleccione transformadores de distribución e instale terminales de medición de distancia de ondas viajeras a una distancia de aproximadamente 1 kilómetro al frente y al final de las líneas ramificadas, recomendándose no más de 2 subramificaciones intermedias.
• Cuando hay múltiples transformadores de distribución para elegir cerca del mismo punto de instalación, se debe dar prioridad a la selección del transformador de mayor capacidad para instalar el terminal de medición de distancia de ondas viajeras.

5. Esquema de diseño detallado para la advertencia de peligros ocultos y localización de fallas en líneas de distribución

A continuación, se presentan 5 líneas de distribución como líneas piloto: como se muestra en las Figuras 5.1-5.5.

Figura 5.1 Ruta Piloto 1

Figura 5.2 Ruta Piloto 2

Figura 5.3 Ruta Piloto 3

Figura 5.4 Ruta Piloto 4

Figura 5.5 Ruta Piloto 5