1. Analisi della situazione
1.1 Principali problemi affrontati dalle linee di rete di distribuzione
Le reti di distribuzione a media tensione tradizionali adottano spesso una struttura topologica a raggio che si irradia come un albero, in cui il flusso di potenza scorre in modo unidirezionale nella rete durante l'operazione normale. Con la costruzione delle smart grid, la rete di distribuzione si trasforma in una struttura topologica complessa e moderna, con ramificazioni multiple, linee ibride aerei-cavo, struttura circolare e fonti di energia distribuite. La struttura topologica a ramificazioni multiple, ibrida e circolare, insieme alle molteplici fonti di energia distribuite, cambiano le caratteristiche di trasmissione dell'onda d'urto dei guasti, aumentano la difficoltà di estrazione delle caratteristiche dei guasti e l'incertezza del flusso di energia. La ricostruzione dinamica della struttura topologica della rete di guasto porta grandi sfide al monitoraggio dello stato di guasto della rete di distribuzione. Attualmente, i principali problemi affrontati dalle linee di rete di distribuzione sono i seguenti:
- Ritardo e squilibrio nello sviluppo
Negli ultimi anni, la costruzione delle reti di distribuzione ha ricevuto grande attenzione e gli investimenti hanno continuato ad aumentare. Tuttavia, a causa della mancanza di investimenti iniziali e di un gran numero di debiti storici, lo sviluppo delle reti di distribuzione, in particolare quelle a media tensione, è ancora indietro rispetto alle reti di trasmissione. Il problema dello sviluppo squilibrato tra aree urbane e rurali, nonché tra le reti elettriche orientali e centro-occidentali, rimane evidente. La rete di distribuzione attuale presenta problemi di sviluppo ritardato e squilibrato, e la sua affidabilità di fornitura di energia è ancora indietro rispetto al livello avanzato internazionale, rendendo difficile soddisfare le esigenze di servizio per lo sviluppo economico.
- Bassa interconnessione e debole struttura di rete,
La struttura di rete a 10 kV è ancora debole. Quasi metà delle linee a 10 kV non sono ancora interconnesse, e la proporzione di interconnessione della rete rurale è solo un terzo di quella della rete urbana, indicando una scarsa interconnessione.
- Mancanza di dispositivi terminali e piattaforme di gestione, basso livello di automazione
Il livello di automazione della distribuzione è relativamente basso e si trova ancora nelle fasi iniziali. La diagnosi, l'isolamento e il recupero dei guasti richiedono molto tempo, rendendo difficile la ricostruzione e l'autoguarigione della rete. Si riflette in una scarsa capacità di fornire energia reciproca, con la sensazione intuitiva che il ripristino della fornitura di energia richieda molto tempo.
- Isolamento dei dati di base e metodi di tecnologia dell'informazione obsoleti
La gestione della rete di distribuzione coinvolge diversi dipartimenti come sviluppo, energia agricola, operazioni e ispezione, marketing e pianificazione, con dati di base dispersi in diversi sistemi. Gli standard e i modelli dei dati tra i sistemi sono inconsistenti, e inoltre, mancano meccanismi di condivisione dei dati. L'investimento e il livello di costruzione bassi della rete di distribuzione hanno portato a un ritardo relativo nello sviluppo dei sistemi di comunicazione e informazione, e a una mancanza di canali per ottenere informazioni. Si riflette in una scarsa gestione dettagliata, dove i dati, le grafiche e le informazioni non corrispondono.
- La strategia di protezione ha difetti e comporta rischi significativi per la sicurezza
In caso di guasto di terra ad alta resistenza nella rete di distribuzione, essa opera con "lesioni". Ad esempio, un guasto di terra monofase può facilmente causare shock elettrici a persone o pollame, e danni a esseri umani e animali; La rete di distribuzione ha sperimentato guasti di incendi boschivi, i guasti di terra ad alta resistenza sono difficili da identificare e la protezione a relè non scatta, presentando rischi per la sicurezza.
I problemi tecnici e le sfide che influiscono sulla sicura e stabile operazione della rete di distribuzione dipendono da sistemi di automazione di distribuzione di alto livello per essere risolti. Il sistema di diagnostica dei guasti della rete di distribuzione è un componente importante del sistema di automazione di distribuzione, che realizza l'avviso degli stati anomali delle linee di distribuzione, la localizzazione precisa dei guasti, l'identificazione del tipo di guasto, la protezione sul posto, ecc., fornendo una base di dati per la rapida rimozione dei guasti e il recupero automatico dell'automazione di distribuzione.
1.2 Soluzioni per l'avviso di pericoli potenziali nelle linee di rete di distribuzione
La localizzazione dei guasti nella rete di distribuzione, come funzione chiave per garantire una fornitura di energia affidabile e di alta qualità, è un focus di ricerca nella tecnologia di automazione della rete di distribuzione. Secondo le statistiche dei dipartimenti pertinenti della rete elettrica, l'80% o più dei blackout nella rete sono causati da guasti nella rete di distribuzione. Per migliorare il livello di automazione della rete di distribuzione e costruire una rete di distribuzione intelligente, è ancora necessario condurre ricerche e applicazioni sull'ottimizzazione continua dello stato normale della rete di distribuzione e la rapida localizzazione dei punti di guasto. La chiave per risolvere l'ottimizzazione continua dello stato normale della rete di distribuzione e la rapida localizzazione degli stati di guasto è raggiungere il monitoraggio automatico della rete di distribuzione, realizzare la localizzazione precisa dei guasti e l'avviso di guasti anomali. È una parte importante della costruzione di reti di distribuzione intelligenti nelle smart grid, in linea con le esigenze delle strategie nazionali, e ha un grande significato nel promuovere l'adattamento strategico della struttura industriale della rete elettrica, risolvere i principali collo di bottiglia nello sviluppo dell'Internet delle cose elettrica e migliorare la qualità della fornitura di energia.
Il sistema di diagnostica dei guasti della rete di distribuzione è una parte importante del sistema di automazione di distribuzione. Il sistema di diagnostica dei guasti della rete di distribuzione basato sull'intelligenza artificiale e sul calcolo edge ha funzioni come l'avviso precoce dello stato anomalo, la localizzazione precisa dei guasti, ecc., che possono migliorare efficacemente la stabilità della rete di distribuzione, accelerare l'isolamento dei guasti, ridurre il tempo di recupero dei guasti e migliorare la continuità della fornitura di energia. Allo stesso tempo, il sistema può realizzare la navigazione web, le notifiche SMS mobili e guidare l'ispezione e la risoluzione dei guasti.
2. Progettazione complessiva della soluzione
2.1 Principio di posizionamento dell'onda d'urto per le linee di rete di distribuzione
La localizzazione dei guasti delle linee di rete di distribuzione si basa sulla tecnologia di posizionamento dell'onda d'urto. Il principio di base è mostrato nella Figura 2.1. Il metodo di posizionamento dell'onda d'urto a due estremità viene utilizzato per calcolare la posizione precisa del punto di guasto in base alla differenza temporale tra le onde d'urto che passano attraverso i punti di monitoraggio adiacenti per i guasti e i pericoli nascosti nella linea di distribuzione; L'algoritmo centrale può formare una topologia di rete in base alle informazioni di installazione di ciascun punto di monitoraggio, formando un metodo di misurazione della distanza dell'onda d'urto di rete. I risultati di posizionamento di ciascun punto di monitoraggio vengono verificati e adattati reciprocamente, garantendo in modo efficace e accurato la precisione dei risultati della misurazione della distanza del guasto. Allo stesso tempo, il sistema può anche avvisare sui pericoli nascosti per le linee di distribuzione, con una precisione di localizzazione del guasto fino a 150 m, fornendo un forte supporto per il lavoro di manutenzione e migliorando la capacità di autorecupero della fornitura di energia della linea di distribuzione.
Dove L1 e L2 sono le distanze dal punto di guasto ai punti di monitoraggio 1 e 2, L è la distanza tra i due punti di monitoraggio, T1 e T2 sono i tempi in cui i punti di monitoraggio 1 e 2 rilevano l'onda d'urto, e v è la velocità dell'onda d'urto.
Figura 2.1 Schema di posizionamento a doppia estremità dell'onda viaggiante
2.2 Descrizione del prodotto della proposta di progettazione
Il progetto per l'avviso di pericolo nascosto e la localizzazione dei guasti nelle linee di distribuzione include interruttori a pianta - tipo misurazione della distanza del guasto, dispositivo esterno di misurazione della distanza dell'onda viaggiante della rete di distribuzione, terminale di misurazione della distanza dell'onda viaggiante del trasformatore di distribuzione e dispositivo di monitoraggio online distribuito dei guasti delle linee di distribuzione. La configurazione di installazione del dispositivo è mostrata nella Figura 2.2.
Figura 2.2 Schema di configurazione del prodotto per la soluzione proposta
- Dispositivo di localizzazione dei guasti della linea di distribuzione
Il modulo di misurazione della distanza dell'onda viaggiante nella rete di distribuzione viene utilizzato con un metodo di applicazione esterna per la ristrutturazione in stock delle linee di distribuzione esistenti. Viene installato tra l'interruttore di linea originale e l'FTU e collegato tramite cavi a connettore aeronautico per l'installazione in linea. L'equipaggiamento utilizza lo stesso segnale del modulo e tutti i segnali in ingresso sono isolati. Il modulo di posizionamento dell'onda viaggiante e il controller FTU raccolgono indipendentemente le quantità di segnale corrispondenti, le isolano e le elaborano, senza interferire tra loro.
- Terminale di localizzazione dei guasti della linea di distribuzione
Il terminale di localizzazione dei guasti della linea di distribuzione utilizza principalmente il principio del posizionamento a doppia estremità dell'onda viaggiante come metodo di localizzazione dei guasti. L'equipaggiamento è installato sul lato secondario del trasformatore di distribuzione della linea di distribuzione ed estrae il segnale dell'onda viaggiante trasmesso dal lato primario da 10kV al lato a bassa tensione quando si verifica un guasto sulla linea da 10kV su una linea da 400V sul lato a bassa tensione del trasformatore di distribuzione. Risolve in modo complessivo il problema di punto cieco del monitoraggio dell'onda viaggiante alla fine dei rami di linea.
- Dispositivo di monitoraggio distribuito dei guasti delle linee di distribuzione
L'equipaggiamento viene installato direttamente sui fili della linea di distribuzione, utilizzando l'alimentazione induttiva accoppiata, l'energia solare e l'alimentazione a batteria. Il funzionamento normale dell'equipaggiamento richiede che il carico della linea raggiunga 5A. È principalmente utilizzato come soluzione di backup finale e viene applicato in situazioni in cui ci sono pochi interruttori o troppi rami che richiedono l'installazione di punti di monitoraggio.
- Interruttore a pianta - tipo misurazione della distanza del guasto
Il tipo di misurazione della distanza del guasto installa un modulo di misurazione della distanza dell'onda viaggiante nell'FTU, aggiungendo la funzione di localizzazione precisa del guasto alla funzione tradizionale di isolamento del guasto dell'interruttore. Il modulo utilizza il segnale secondario dell'interruttore e può raccogliere informazioni trifase a frequenza di rete, corrente dell'onda viaggiante, tensione dell'onda viaggiante, segnale 3U0, segnale 3I0, ecc. Può essere flessibilmente regolato in base al tipo di trasformatore dell'interruttore, se elettromagnetico o elettronico. Il modulo di misurazione della distanza dell'onda viaggiante può essere adattato a vari FTU, inclusi quelli a scatola, a cappuccio e a fusione profonda. Il modulo di misurazione della distanza dell'onda viaggiante è stato utilizzato congiuntamente sul campo con diversi produttori di interruttori.
2.3 Proposta di progettazione generale del sistema di localizzazione dei guasti delle linee di distribuzione
Il sistema di diagnosi dei guasti della rete di distribuzione è composto da tre parti: strato di esecuzione del monitoraggio dello stato, strato di analisi dei dati e strato di valutazione del sistema. L'architettura generale è mostrata nella Figura 2.3. tra cui
- Strato di monitoraggio dello stato
Lo strato di monitoraggio dello stato include dispositivi di raccolta delle informazioni (come sensori di corrente, sensori di tensione, sensori di vibrazione, sensori di temperatura, acquisizione di immagini, sensori ambientali, sensori di stato degli interruttori, comunicazione filare e wireless, ecc.), dispositivi di output dello stato (come interruttori, interruttori di carico, indicatori di allarme, ecc.), per realizzare la raccolta e la comunicazione multi-sorgente in tempo reale, online e ad alta precisione;
- Strato di analisi dei dati
Lo strato di analisi dei dati, incluso l'analisi e l'allarme di eventi di avviso o guasto, si basa sul calcolo edge e sull'intelligenza artificiale per realizzare il monitoraggio in tempo reale e la localizzazione affidabile e accurata dello stato locale e ampio area del sistema;
- Strato di valutazione del sistema
Lo strato di valutazione del sistema include un'unità di riconoscimento strutturale, un'unità di ricostruzione della rete, un'unità di ispezione intelligente dei guasti, un'unità di riconoscimento del tipo di guasto, un'unità di previsione dello stato anomalo, un'unità di valutazione della vulnerabilità e un'unità di costruzione di una libreria di casi di esperienza. Basandosi sull'analisi complessiva, realizza l'avviso di stato anomalo e l'autodettaglio dei guasti nascosti del sistema di controllo e protezione.
Figura 2.3 Schema dell'architettura del sistema di diagnosi dei guasti della rete di distribuzione
Caratteristiche tecniche della soluzione del sistema:
- Metodo di identificazione dei tipi di guasto ed estrazione delle caratteristiche dei guasti nella rete di distribuzione
In base alle informazioni degli interruttori, alle informazioni 3U0, alle informazioni elettriche a frequenza di rete, ai file di registrazione della corrente e della tensione di guasto a frequenza di rete, ai file di registrazione della corrente di guasto ad alta frequenza, alle informazioni dell'onda viaggiante hardware e ad altre informazioni della linea di distribuzione, vengono utilizzati metodi di intelligenza artificiale per estrarre le caratteristiche dei guasti della rete di distribuzione, fornendo una base di calcolo efficace per l'avviso di stato anomalo e la localizzazione accurata dei guasti della rete di distribuzione; Studiare le caratteristiche delle forme d'onda di inquinamento, barriere arboree, ghiacciatura, oggetti galleggianti, rottura dei cavi, guasti di terra ad alta resistenza, o stati anomali degli isolatori della rete di distribuzione, formare una libreria di impronte digitali di caratteristiche di forma d'onda anomala, estrarre fattori caratteristici del guasto e utilizzare il fitting di similarità dei fattori caratteristici per identificare gli stati anomali delle linee di distribuzione.
- Metodo di localizzazione a vasta area basato sulla rete di distribuzione
Ricostruire la topologia della rete da linee miste aeree e cavi, linee a più rami e linee di rete di distribuzione con strutture topologiche variabili, e utilizzare metodi di posizionamento a vasta area per realizzare la misurazione a vasta area e metodi di ottimizzazione complessiva per la rete di distribuzione.
- Monitoraggio e avviso online dei pericoli nascosti
I pericoli causati da una distanza di isolamento insufficiente, come barriere arboree, danni causati dagli uccelli, oggetti galleggianti, contaminazione degli isolatori e ghiacciatura, genereranno segnali deboli dell'onda viaggiante prima del flashover. Il segnale dell'onda viaggiante viene trasmesso lungo il filo verso entrambe le estremità, monitorando e analizzando i segnali deboli dell'onda viaggiante sulla linea di raccolta per realizzare il posizionamento a doppia estremità e l'avviso dei pericoli nascosti sulla linea di raccolta.
3.Comunicazione dei dati e proposta di progettazione del sistema
Il dispositivo di monitoraggio distribuito dei guasti, il dispositivo di localizzazione dei guasti e il terminale di localizzazione dei guasti per le linee di distribuzione utilizzano tutte carte APN designate dalla società elettrica e metodi di comunicazione wireless 4G o 5G.
Si consiglia di costruire un sistema di diagnosi dei guasti della rete di distribuzione presso l'ufficio cittadino. Il sistema può essere distribuito in modo indipendente su server o piattaforme cloud principali della rete di distribuzione, e può essere collegato alla piattaforma di gestione patrimoniale attraverso protocolli di comunicazione come MQTT e HTTP per la raccolta dei dati, realizzando una diagnosi dei guasti della rete di distribuzione a livello di città. Il sistema può essere integrato con il sistema di automazione della rete di distribuzione.
4.Il principio per la scelta dei punti di installazione
I prodotti di posizionamento dell'onda viaggianti della rete di distribuzione sono relativamente più bassi rispetto alle linee di trasmissione. Il livello di tensione delle linee di distribuzione è basso, e l'ampiezza dei segnali di onda viaggianti dei guasti è relativamente bassa. Inoltre, ogni volta che un punto di discontinuità dell'impedenza d'onda (come il contatto T della linea, il punto di connessione tra cavo e linea aerea) viene superato, il segnale dell'onda viaggianti subisce rifrazione e riflessione, e l'ampiezza del segnale dell'onda viaggianti diminuisce. Per garantire che il segnale dell'onda viaggianti del guasto possa essere rilevato dal dispositivo di monitoraggio quando viene trasmesso al dispositivo di monitoraggio, generalmente il dispositivo di monitoraggio segue il principio di selezione e installazione di un intervallo di 3-5 km. I requisiti specifici sono i seguenti:
- Quando interruttori automatici sono installati sul ramo di alimentazione e sulla giunzione T della linea, si preferiscono i terminali FTU di misurazione della distanza dell'onda viaggianti. Generalmente, un set di dispositivi di posizionamento dell'onda viaggianti viene installato vicino all'interruttore all'inizio e alla fine della linea, mentre l'installazione al centro della linea dipende dalla lunghezza della linea e dalle condizioni dei rami. Se non ci sono rami al centro, un set può essere installato a intervalli di circa 5 chilometri. Se ci sono molti rami, un set dovrebbe essere installato ad un intervallo massimo di 3 rami (rami corti con una lunghezza inferiore a 200 metri possono essere ignorati). Quando ci sono molti rami al centro, la distanza tra i dispositivi di monitoraggio non dovrebbe superare i 3 chilometri.
- Scegliere i trasformatori di distribuzione e installare i terminali di misurazione della distanza dell'onda viaggianti a una distanza di circa 1 chilometro all'inizio e alla fine dei rami, con non più di 2 rami secondari intermedi consigliati.
- Quando ci sono molti trasformatori di distribuzione da scegliere vicino allo stesso punto di installazione, si dovrebbe dare priorità alla scelta del trasformatore con capacità maggiore per installare il terminale di misurazione della distanza dell'onda viaggianti.
5.Schema di progettazione dettagliato per l'avviso di pericolo nascosto e la localizzazione del guasto nelle linee di distribuzione
Le seguenti 5 linee di distribuzione sono state scelte come linee pilota: come mostrato nelle Figure 5.1-5.5.
Figura 5.1 Rotta Pilota 1
Figura 5.2 Rotta Pilota 2
Figura 5.3 Rotta Pilota 3
Figura 5.4 Rotta Pilota 4
Figura 5.5 Rotta Pilota 5
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