Solução do Sistema de Alerta de Riscos Ocultos e Medição de Distância de Falhas em Linhas de Distribuição

1. Análise de cenário

 1.1 Principais problemas enfrentados pelas linhas de rede de distribuição

As redes de distribuição de média tensão tradicionais frequentemente adotam uma estrutura topológica radial em forma de árvore, na qual o fluxo de potência flui unidirecionalmente na rede durante a operação normal. Com a construção de redes inteligentes, a rede de distribuição é formada em uma estrutura topológica circular, linha híbrida de cabo aéreo com múltiplas ramificações, e uma estrutura topológica complexa de rede de distribuição moderna contendo fontes de energia distribuídas. As múltiplas ramificações, a topologia híbrida e circular e as múltiplas fontes de energia distribuídas da rede de distribuição alteram as características de transmissão de ondas viajantes de defeito, aumentam a dificuldade de extração de características de defeito e a incerteza do fluxo de energia. A reconstrução da estrutura topológica da rede de defeito muda dinamicamente, o que traz grandes desafios para o monitoramento do estado de defeito da rede de distribuição. Atualmente, os principais problemas enfrentados pelas linhas de rede de distribuição são os seguintes:

• Atraso e desequilíbrio no desenvolvimento

Nos últimos anos, a construção de redes de distribuição tem recebido atenção generalizada e os investimentos continuam a aumentar. No entanto, devido à falta de investimento inicial e a um grande número de dívidas históricas, o desenvolvimento das redes de distribuição, especialmente as redes de distribuição de média tensão, ainda está atrasado em comparação com as redes de transmissão. O problema do desenvolvimento desequilibrado entre as áreas urbanas e rurais, bem como entre as redes elétricas do leste e do centro-oeste, permanece proeminente. A rede de distribuição atual apresenta problemas de atraso e desequilíbrio no desenvolvimento, e sua confiabilidade de suprimento de energia ainda está atrás do nível internacional avançado, dificultando o atendimento às necessidades de servir ao desenvolvimento econômico.

• Baixa interconectividade e estrutura de rede fraca,

A estrutura da rede de nível de tensão de 10 kV ainda é fraca. Quase metade das linhas de 10 kV ainda não foram interligadas, e a proporção de interligação da rede rural é apenas um terço da rede urbana, indicando uma baixa interconectividade.

• Falta de dispositivos terminais e plataformas de gerenciamento, baixo nível de automação

O nível de automação de distribuição é relativamente baixo e ainda está em seus estágios iniciais. O diagnóstico, isolamento e recuperação de defeitos levam muito tempo, dificultando a realização da reconstrução de rede e autorrecuperação. Reflete-se como uma pobre capacidade de suprimento mútuo, e a sensação intuitiva é que a restauração do suprimento de energia leva muito tempo.

• Isolamento de dados básicos e métodos de tecnologia da informação desatualizados

O gerenciamento da rede de distribuição envolve diferentes departamentos, como desenvolvimento, energia agrícola, operação e inspeção, comercialização e despacho, com dados básicos dispersos em diferentes sistemas. Os padrões e modelos de dados entre os sistemas são inconsistentes e, além disso, há falta de mecanismos de compartilhamento de dados. O baixo nível de investimento e construção da rede de distribuição levou a um atraso relativo no desenvolvimento dos sistemas de comunicação e informação, e à falta de canais para obtenção de informações. Reflete-se como um pobre refinamento da gestão, onde dados, gráficos e informações não conseguem corresponder.

• A estratégia de proteção apresenta deficiências e representa riscos significativos de segurança

Quando há um defeito de aterramento de alta resistência na rede de distribuição, ela opera com "lesão". Por exemplo, um defeito de aterramento monofásico pode facilmente causar choque elétrico em pessoal ou aves, e danos a humanos e gado; A rede de distribuição experimentou defeitos de incêndio florestal, defeitos de aterramento de alta resistência são difíceis de identificar, e a proteção por relé não atua, representando riscos à segurança.

Os problemas técnicos e desafios que afetam a operação segura e estável da rede de distribuição dependem de sistemas de automação de distribuição de alto nível para resolvê-los. O sistema de diagnóstico de defeitos da rede de distribuição é um componente importante do sistema de automação de distribuição, que realiza o alerta de estados anormais das linhas de distribuição, localização precisa de defeitos, identificação do tipo de defeito, proteção no local, etc., fornecendo base de dados para a remoção rápida de defeitos e recuperação automática da automação de distribuição.

1.2 Soluções para Alerta de Riscos Potenciais em Linhas de Rede de Distribuição

A localização de defeitos em redes de distribuição, como uma função chave para garantir um suprimento de energia confiável e de alta qualidade, é um foco de pesquisa na tecnologia de automação de rede de distribuição. De acordo com estatísticas de departamentos relevantes da rede elétrica, 80% ou mais das interrupções de energia na rede são causadas por defeitos na rede de distribuição. Para melhorar o nível de automação da rede de distribuição e construir uma rede de distribuição inteligente, ainda é necessário conduzir pesquisas e aplicações sobre a otimização contínua do estado normal da rede de distribuição e o posicionamento rápido de pontos de defeito. A chave para resolver a otimização contínua do estado normal da rede de distribuição e o posicionamento rápido dos estados de defeito é alcançar o monitoramento automático da rede de distribuição, alcançar o posicionamento preciso de defeitos e o alerta de defeito anormal da rede de distribuição. É uma parte importante da construção de redes de distribuição inteligentes em redes inteligentes, alinhada com as necessidades das principais estratégias nacionais, e tem grande significado na promoção do ajuste estratégico da estrutura da indústria de energia elétrica, na resolução dos principais gargalos no desenvolvimento da Internet das Coisas de Energia e na melhoria da qualidade do suprimento de energia.

O sistema de diagnóstico de defeitos da rede de distribuição é uma parte importante do sistema de automação de distribuição. O sistema de diagnóstico de defeitos da rede de distribuição baseado em inteligência artificial e computação de borda possui funções de alerta precoce de estado anormal, localização precisa de defeitos, etc., que podem efetivamente aumentar a estabilidade da rede de distribuição, acelerar o isolamento de defeitos, reduzir o tempo de recuperação de defeitos e melhorar a continuidade do suprimento de energia. Ao mesmo tempo, o sistema pode alcançar navegação web, notificações por SMS móvel e orientar a inspeção de defeitos e a solução de problemas. 

2. Design geral da solução

2.1 Princípio de posicionamento de onda viajante de defeito para linhas de rede de distribuição

A localização de defeitos em linhas de rede de distribuição baseia-se na tecnologia de posicionamento por onda viajante. O princípio básico é mostrado na Figura 2.1. O método de posicionamento por onda viajante de dupla extremidade é usado para calcular a localização precisa do ponto de defeito com base na diferença de tempo entre as ondas viajantes passando por pontos de monitoramento adjacentes para defeitos e riscos ocultos na linha de distribuição; O algoritmo da estação principal pode formar uma topologia de rede com base nas informações da linha de instalação de cada ponto de monitoramento, formando um método de medição de distância de onda viajante de defeito em rede. Os resultados de posicionamento de cada ponto de monitoramento são mutuamente verificados e ajustados, garantindo efetiva e precisamente a precisão dos resultados de medição de distância de defeito. Ao mesmo tempo, o sistema também pode alcançar o alerta de risco oculto para linhas de distribuição, com precisão de localização de defeito de até 150m, fornecendo forte suporte para o trabalho de operação e manutenção e melhorando a capacidade de autorrecuperação do suprimento de energia da linha de distribuição.

Entre eles, L1 e L2 são as distâncias do ponto de defeito aos pontos de monitoramento 1 e 2, L é a distância entre dois pontos de monitoramento, T1 e T2 são os tempos em que os pontos de monitoramento 1 e 2 detectam a onda viajante, e v é a velocidade da onda viajante. 

Figura 2.1 Diagrama esquemático do posicionamento de onda viajante de dupla extremidade

2.2 Descrição do Produto da Proposta de Design

O esquema de design para aviso de perigos ocultos e localização de falhas em linhas de distribuição inclui disjuntores montados em postes - tipo medição de distância de falha, dispositivo externo de medição de distância de onda viajante da rede de distribuição, terminal de medição de distância de onda viajante do transformador de distribuição e dispositivo de monitoramento online de falhas em linhas de distribuição distribuído. A configuração de instalação do dispositivo é mostrada na Figura 2.2.

Figura 2.2 Diagrama esquemático da configuração do produto para a solução proposta

• Dispositivo de localização de falhas em linhas de distribuição

O método de aplicação externa do módulo de medição de distância de onda viajante na rede de distribuição é utilizado para a renovação do estoque de linhas de distribuição existentes. É instalado entre o disjuntor da linha original e o FTU, e conectado através de cabos plugáveis de aviação para instalação em linha viva. O equipamento utiliza o mesmo sinal do módulo, e todos os sinais de entrada são isolados. O módulo de posicionamento de onda viajante e o controlador FTU coletam independentemente as quantidades de sinal correspondentes, isolam-nas e processam-nas, não interferindo um no outro. 

• Terminal de localização de falhas em linhas de distribuição

O terminal de localização de falhas de linhas de distribuição utiliza principalmente o princípio de posicionamento de onda viajante de dupla extremidade como método de localização de falhas. O equipamento é instalado no lado secundário do transformador de distribuição da linha de distribuição e extrai o sinal de onda viajante transmitido do lado primário de 10kV para o lado de baixa tensão quando ocorre uma falha na linha de 10kV na linha de 400V no lado de baixa tensão do transformador de distribuição. Resolve de forma abrangente o problema de ponto cego do monitoramento de onda viajante no final de falhas de ramais da linha. 

• Dispositivo de monitoramento de falhas distribuído para linhas de distribuição

O equipamento é instalado diretamente nos fios da linha de distribuição, utilizando alimentação por indução de acoplamento & energia solar & alimentação por bateria. O funcionamento normal do equipamento requer que a carga da linha atinja 5A. É utilizado principalmente como backup para a solução final e é aplicado em situações onde há poucos disjuntores ou ramais demais que requerem a instalação de pontos de monitoramento.

• Disjuntor de poste - tipo medição de distância de falha

O tipo de medição de distância de falha instala um módulo de medição de distância de onda viajante no FTU, o que adiciona a função de localização precisa de falhas à função tradicional de isolamento de falhas do disjuntor. O módulo utiliza o sinal secundário do disjuntor e pode coletar informações de frequência de potência trifásica, corrente de onda viajante, tensão de onda viajante, sinal 3U0, sinal 3I0, etc. Pode ser ajustado de forma flexível de acordo com o tipo de transformador do disjuntor, seja ele eletromagnético ou eletrônico. O módulo de medição de distância de onda viajante pode ser adaptado a vários FTUs, incluindo FTUs do tipo caixa, tipo capô e de fusão profunda. O módulo de medição de distância de onda viajante tem sido aplicado em conjunto no local com vários fabricantes de disjuntores.

2.3 Esquema geral de design para o sistema de localização de falhas de linhas de rede de distribuição

O sistema de diagnóstico de falhas da rede de distribuição consiste em três partes: camada de execução de monitoramento de estado, camada de análise de dados e camada de avaliação do sistema. A arquitetura geral é mostrada na Figura 2.3, entre as quais

• Camada de monitoramento de estado

A camada de monitoramento de estado inclui dispositivos de coleta de informações (como sensores de corrente, sensores de tensão, sensores de vibração, sensores de temperatura, aquisição de imagens, sensores ambientais, sensores de estado de chaveamento, comunicação com e sem fio, etc.), dispositivos de saída de estado (como disjuntores, chaves de carga, indicadores de aviso, etc.), para alcançar a coleta e comunicação em tempo real, online e de alta precisão de informações de múltiplas fontes;

• Camada de análise de dados

A camada de análise de dados, incluindo alarme de análise de eventos de aviso prévio ou falha, baseia-se na computação de borda e computação inteligente para realizar o monitoramento em tempo real e o posicionamento confiável e preciso do estado local e de área ampla do sistema;

• Camada de avaliação do sistema

A camada de avaliação do sistema inclui uma unidade de reconhecimento estrutural, uma unidade de reconstrução de rede, uma unidade de inspeção inteligente de falhas, uma unidade de reconhecimento de tipo de falha, uma unidade de previsão de estado anormal, uma unidade de avaliação de vulnerabilidade e uma unidade de construção de biblioteca de casos de experiência. Com base na análise abrangente, realiza o aviso de estado anormal e a autodedecção de falhas ocultas do sistema de controle e proteção.

Figura 2.3 Diagrama esquemático da arquitetura do sistema de diagnóstico de falhas da rede de distribuição

Características técnicas da solução do sistema:

• Método para identificação de tipos de falhas e extração de características de falhas em redes de distribuição

Com base nas informações do interruptor, informações 3U0, informações elétricas de frequência de potência, arquivos de registro de corrente e tensão de falha de frequência de potência, arquivos de registro de corrente de falha de alta frequência, informações de onda viajante de hardware e outras informações da linha de distribuição, métodos de inteligência artificial são utilizados para extrair características de falhas da rede de distribuição, fornecendo uma base de cálculo eficaz para o aviso de estado anormal da rede de distribuição e localização precisa de falhas; Estudar as características de forma de onda de poluição, barreiras de árvores, congelamento, objetos flutuantes, fios quebrados, falhas de aterramento de alta resistência ou estados anormais de isoladores da rede de distribuição, formar uma biblioteca de impressões digitais de características de forma de onda anormal, extrair fatores de características de falha e usar o ajuste de similaridade de fatores de características para identificar estados anormais de linhas de distribuição. 

• Método de localização de falhas de área ampla baseado em rede de distribuição

Reconstruir a topologia de rede a partir de linhas de cabos aéreos mistos, linhas de múltiplos ramais e linhas de rede de distribuição com estruturas de topologia variáveis, e utilizar métodos de posicionamento de rede de área ampla para alcançar a medição de distância de área ampla e métodos de otimização abrangente para redes de distribuição. 

• Monitoramento online e aviso de perigos ocultos

Os perigos ocultos causados por distância de isolamento insuficiente, como barreiras de árvores, danos de pássaros, objetos flutuantes, contaminação de isoladores e congelamento, gerarão todos sinais fracos de onda viajante antes da descarga disruptiva. O sinal de onda viajante é transmitido ao longo do fio para ambas as extremidades, monitorando e analisando sinais fracos de onda viajante na linha de coleta para alcançar o posicionamento de dupla extremidade e o aviso de perigos ocultos na linha de coleta. 

3.Proposta de Comunicação de Dados e Design do Sistema

Os dispositivos distribuídos de monitoramento de falhas, dispositivos de localização de falhas e terminais de localização de falhas para linhas de distribuição utilizam todos cartões APN designados pela empresa de energia e métodos de comunicação sem fio 4G ou 5G.

Recomenda-se a construção de um sistema de diagnóstico de falhas da rede de distribuição na agência municipal. O sistema pode ser implantado independentemente em servidores ou plataformas de estação principal em nuvem da rede de distribuição, e pode ser conectado à plataforma de gerenciamento de propriedades por meio de protocolos de comunicação como MQTT e HTTP para coleta de dados, alcançando o diagnóstico de falhas da rede de distribuição em toda a cidade. O sistema pode ser integrado ao sistema de automação da rede de distribuição.

4. O princípio para seleção de pontos de instalação 

O desempenho dos produtos de posicionamento por ondas viajantes da rede de distribuição é relativamente baixo em comparação com as linhas de transmissão. O nível de tensão das linhas de distribuição é baixo, e a amplitude dos sinais de ondas viajantes de falha é relativamente baixa. Além disso, cada vez que um ponto de descontinuidade de impedância de onda (como o ponto de derivação em T da linha, o ponto de conexão entre o cabo e a linha aérea) é atravessado, o sinal de onda viajante sofrerá refração e reflexão, e a amplitude do sinal de onda viajante diminuirá. Para garantir que o sinal de onda viajante de falha possa ser detectado pelo dispositivo de monitoramento quando transmitido para o dispositivo de monitoramento, o dispositivo de monitoramento geralmente segue o princípio de espaçamento de instalação de 3-5 km para seleção e instalação de pontos. Os requisitos específicos são os seguintes:

• Quando interruptores automáticos são instalados no alimentador e na junção em T da linha, os terminais de medição de distância por ondas viajantes FTU são preferidos. Geralmente, um conjunto de dispositivos de posicionamento por ondas viajantes é instalado próximo ao disjuntor no início e no fim da linha, e a instalação no meio da linha depende do comprimento da linha e da condição das linhas ramais. Se não houver linhas ramais no meio, um conjunto pode ser instalado em intervalos de cerca de 5 quilômetros. Se houver múltiplas ramificações, um conjunto deve ser instalado em um intervalo máximo de 3 ramificações (ramificações curtas com comprimento inferior a 200 metros podem ser ignoradas). Quando houver múltiplas linhas ramais no meio, a distância entre os dispositivos de monitoramento não deve exceder 3 quilômetros.
• Selecione transformadores de distribuição e instale terminais de medição de distância por ondas viajantes a uma distância de cerca de 1 quilômetro na frente e no fim das linhas ramais, com não mais de 2 sub-ramais intermediários recomendados.
• Quando houver múltiplos transformadores de distribuição para escolher perto do mesmo ponto de instalação, deve-se dar prioridade à seleção do transformador com maior capacidade para instalar o terminal de medição de distância por ondas viajantes.

5. Esquema de projeto detalhado para aviso de perigos ocultos e localização de falhas em linhas de distribuição

A seguir estão 5 linhas de distribuição como linhas piloto: conforme mostrado nas Figuras 5.1-5.5.

Figura 5.1 Rota Piloto 1

Figura 5.2 Rota Piloto 2

Figura 5.3 Rota Piloto 3

Figura 5.4 Rota Piloto 4

Figura 5.5 Rota Piloto 5