1. Анализ сценария
1.1 Основные проблемы, с которыми сталкиваются линии распределительной сети
Традиционные средневольтные распределительные сети часто используют древовидную радиальную топологическую структуру, в которой поток энергии течет однонаправленно в сети при нормальной работе. С развитием умных сетей распределительная сеть формируется в многоветвевую, гибридную линию воздушных и кабельных линий, циклическую топологическую структуру и современную сложную топологическую структуру распределительной сети, содержащую распределенные источники питания. Многоветвевая, гибридная, циклическая топологическая структура и распределенные многочисленные источники питания распределительной сети изменяют характеристики передачи волны неисправности, увеличивают сложность извлечения признаков неисправности и неопределенность потока энергии. Динамическое изменение реконструкции топологической структуры неисправной сети представляет большие вызовы для мониторинга состояния неисправности распределительной сети. В настоящее время основные проблемы, с которыми сталкиваются линии распределительной сети, следующие:
- Отставание и дисбаланс развития
В последние годы строительство распределительных сетей получило широкое внимание, и инвестиции продолжают расти. Однако из-за недостатка первоначальных инвестиций и большого количества исторических долгов развитие распределительных сетей, особенно средневольтных распределительных сетей, по-прежнему отстает по сравнению с сетями передачи. Проблема дисбаланса развития между городскими и сельскими районами, а также между восточными и центрально-западными электрическими сетями остается актуальной. Текущая распределительная сеть имеет проблемы отставания и дисбаланса развития, ее надежность подачи электроэнергии все еще отстает от международного передового уровня, что затрудняет удовлетворение потребностей экономического развития.
- Низкая взаимосвязанность и слабая сетевая структура,
Структура сетей на уровне напряжения 10 кВ по-прежнему слаба. Почти половина линий 10 кВ еще не соединены, а доля взаимосвязанности сельских сетей составляет лишь треть от городских сетей, что указывает на низкую взаимосвязанность.
- Отсутствие терминальных устройств и платформ управления, низкий уровень автоматизации
Уровень автоматизации распределения относительно низкий и находится на начальной стадии. Диагностика, изоляция и восстановление неисправностей занимают длительное время, что затрудняет реализацию реконструкции сети и самовосстановления. Это проявляется в низкой способности взаимного обеспечения, интуитивно ощущаемой как длительное время восстановления подачи электроэнергии.
- Изоляция базовых данных и устаревшие методы информационных технологий
Управление распределительной сетью включает различные департаменты, такие как развитие, сельское электроснабжение, эксплуатация и проверка, маркетинг и планирование, с базовыми данными, разбросанными по различным системам. Стандарты и модели данных между системами не согласованы, кроме того, отсутствуют механизмы обмена данными. Низкие инвестиции и уровень строительства распределительной сети привели к относительному отставанию в развитии систем связи и информации, а также отсутствию каналов получения информации. Это проявляется в низком уровне детализированного управления, когда данные, графики и информация не соответствуют друг другу.
- Защитная стратегия имеет недостатки и представляет значительные риски безопасности
При высоком сопротивлении заземления в распределительной сети она работает с "повреждением". Например, одиночная фазная заземленная неисправность может легко вызвать поражение электрическим током людей или птиц, а также вредить людям и животным; Распределительная сеть испытывала пожарные неисправности, высокое сопротивление заземления трудно определить, и релейная защита не срабатывает, представляя собой опасность безопасности.
Технические вопросы и вызовы, влияющие на безопасную и стабильную работу распределительной сети, зависят от высокоуровневых систем автоматизации распределения для их решения. Система диагностики неисправностей распределительной сети является важной частью системы автоматизации распределения, которая реализует предупреждение об аномальных состояниях линий распределения, точное определение местоположения неисправностей, идентификацию типа неисправности, защиту на месте и т. д., предоставляя данные для быстрого устранения неисправностей и автоматического восстановления распределения.
1.2 Решения для предупреждения потенциальных опасностей на линиях распределительной сети
Определение местоположения неисправностей в распределительной сети, как ключевая функция, обеспечивающая надежное и качественное электроснабжение, является фокусом исследований в области технологий автоматизации распределительной сети. Согласно статистике соответствующих отделов электросети, 80% или более отключений в сети вызваны неисправностями в распределительной сети. Для повышения уровня автоматизации распределительной сети и создания интеллектуальной распределительной сети необходимо продолжать исследования и применение по непрерывной оптимизации нормального состояния распределительной сети и быстрому определению местоположения точек неисправностей. Ключ к решению непрерывной оптимизации нормального состояния распределительной сети и быстрому определению состояний неисправностей состоит в достижении автоматического мониторинга распределительной сети, точного определения местоположения неисправностей и предупреждения об аномальных неисправностях распределительной сети. Это важная часть строительства интеллектуальных распределительных сетей в умных сетях, соответствующая потребностям национальных крупных стратегий, и имеет большое значение для продвижения стратегической перестройки структуры отрасли электросетей, решения крупных узких мест в развитии энергетического Интернета вещей и улучшения качества электроснабжения.
Система диагностики неисправностей распределительной сети является важной частью системы автоматизации распределения. Система диагностики неисправностей распределительной сети на основе искусственного интеллекта и вычислений на краю имеет функции раннего предупреждения аномальных состояний, точного определения местоположения неисправностей и т. д., что эффективно повышает стабильность распределительной сети, ускоряет изоляцию неисправностей, сокращает время восстановления после неисправностей и улучшает непрерывность электроснабжения. В то же время система может обеспечивать просмотр веб-страниц, уведомления по мобильным SMS и руководство по проверке и устранению неисправностей.
2. Общая концепция решения
2.1 Принцип определения местоположения волны распространения для линий распределительной сети
Определение местоположения неисправностей линий распределительной сети основано на технологии определения местоположения волн распространения. Основной принцип показан на рисунке 2.1. Используется двухсторонний метод определения местоположения волн распространения для расчета точного местоположения точки неисправности на основе временной разницы между волнами распространения, проходящими через соседние контрольные точки, для неисправностей и скрытых опасностей на линии распределения; Алгоритм главной станции может сформировать топологию сети на основе информации о установке линий каждого контрольного пункта, создавая сетевой метод измерения расстояния волны распространения неисправности. Результаты определения местоположения каждого контрольного пункта взаимно проверяются и аппроксимируются, что эффективно и точно обеспечивает точность результатов измерения расстояния до неисправности. Одновременно система может также обеспечивать предупреждение о скрытых опасностях на линиях распределения, с точностью определения местоположения неисправности до 150 м, предоставляя мощную поддержку для работы по эксплуатации и техническому обслуживанию и улучшая способность самовосстановления подачи электроэнергии по линиям распределения.
Где L1 и L2 - расстояния от точки неисправности до контрольных точек 1 и 2, L - расстояние между двумя контрольными точками, T1 и T2 - времена, когда контрольные точки 1 и 2 обнаруживают волну распространения, а v - скорость волны распространения.
Рисунок 2.1 Схема двухстороннего позиционирования бегущей волны
2.2 Описание продукта проектного предложения
Проектная схема для предупреждения скрытых опасностей и определения местоположения неисправностей на распределительных линиях включает в себя столбовые выключатели - тип измерения расстояния до неисправности, внешнее устройство измерения расстояния бегущей волны в распределительной сети, терминал измерения расстояния бегущей волны распределительного трансформатора и распределенное устройство онлайн-мониторинга неисправностей на распределительных линиях. Конфигурация установки устройства показана на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 Схема конфигурации продуктов для предлагаемого решения
- Устройство определения местоположения неисправностей на распределительных линиях
Внешний метод применения модуля измерения расстояния бегущей волны в распределительной сети используется для реконструкции существующих распределительных линий. Он устанавливается между оригинальным выключателем линии и FTU, и подключается через кабели с авиационными разъемами для установки под напряжением. Оборудование использует тот же сигнал, что и модуль, и все входные сигналы изолированы. Модуль позиционирования бегущей волны и контроллер FTU независимо собирают соответствующие сигналы, изолируют и обрабатывают их, не мешая друг другу.
- Терминал определения местоположения неисправностей на распределительных линиях
Терминал определения местоположения неисправностей на распределительных линиях в основном использует принцип двухстороннего позиционирования бегущей волны как метод определения местоположения неисправности. Оборудование устанавливается на вторичной стороне распределительного трансформатора распределительной линии и извлекает сигнал бегущей волны, передаваемый от 10 кВ первичной стороны к низковольтной стороне при возникновении неисправности на 10 кВ линии на 400 В линии низковольтной стороны распределительного трансформатора. Комплексно решает проблему слепых зон мониторинга бегущей волны на концах ветвей линий.
- Распределенное устройство мониторинга неисправностей на распределительных линиях
Оборудование устанавливается непосредственно на проводах распределительной линии, используя питание от индуктивного соединения, солнечную энергию и аккумуляторы. Для нормальной работы оборудования требуется, чтобы нагрузка на линию достигала 5 А. Оно в основном используется как резервное решение и применяется в ситуациях, когда имеется мало выключателей или слишком много ветвей, требующих установки точек мониторинга.
- Столбовой выключатель - тип измерения расстояния до неисправности
Тип измерения расстояния до неисправности устанавливает модуль измерения расстояния бегущей волны в FTU, добавляя функцию точного определения местоположения неисправности к традиционной функции изоляции неисправности выключателя. Модуль использует вторичный сигнал выключателя и может собирать информацию о трехфазном промышленном частотном сигнале, токе бегущей волны, напряжении бегущей волны, сигнале 3U0, сигнале 3I0 и т. д. Его можно гибко настроить в зависимости от типа трансформатора выключателя, будь то электромагнитный или электронный. Модуль измерения расстояния бегущей волны может быть адаптирован к различным FTU, включая коробочные, капотные и глубоко интегрированные FTU. Модуль измерения расстояния бегущей волны уже совместно применялся на месте с несколькими производителями выключателей.
2.3 Общая схема системы определения местоположения неисправностей распределительных сетей
Система диагностики неисправностей распределительных сетей состоит из трех частей: слоя выполнения мониторинга состояния, слоя анализа данных и слоя оценки системы. Общая архитектура показана на рисунке 2.3. среди которых
- Слой мониторинга состояния
Слой мониторинга состояния включает устройства сбора информации (например, датчики тока, датчики напряжения, датчики вибрации, датчики температуры, сбор изображений, датчики окружающей среды, датчики состояния выключателей, проводная и беспроводная связь и т. д.), устройства вывода состояния (например, выключатели, переключатели нагрузки, индикаторы предупреждения и т. д.), чтобы обеспечить реальное время, онлайн, высокоточное сбор и коммуникацию многопроходной информации;
Слой анализа данных, включая анализ тревог или событий неисправности, основан на краевом вычислении и интеллектуальном вычислении для реализации реального времени мониторинга и надежного и точного определения местоположения локального и широкого состояния системы;
Слой оценки системы включает блок распознавания структуры, блок реконструкции сети, блок интеллектуального осмотра неисправностей, блок распознавания типа неисправности, блок прогнозирования аномальных состояний, блок оценки уязвимости и блок создания библиотеки опытных случаев. На основе комплексного анализа он реализует предупреждение аномальных состояний и самодиагностику скрытых неисправностей системы управления и защиты.
Рисунок 2.3 Схема архитектуры системы диагностики неисправностей распределительных сетей
Технические характеристики системного решения:
- Метод идентификации типов неисправностей и извлечения характеристик неисправностей в распределительных сетях
На основе информации о выключателе, информации 3U0, информации о промышленном частотном электричестве, записей файлов промышленного частотного тока и напряжения при неисправности, записей файлов высокочастотного тока при неисправности, информации о аппаратном модуле бегущей волны и другой информации о распределительной линии используются методы искусственного интеллекта для извлечения характеристик неисправностей распределительной сети, предоставляя эффективную расчетную основу для предупреждения аномальных состояний распределительной сети и точного определения местоположения неисправности; Исследуются формы волн загрязнения, деревьев, замерзания, плавающих объектов, обрывов проводов, неисправностей с высоким сопротивлением заземления или аномальных состояний изоляторов распределительной сети, формируется библиотека отпечатков пальцев аномальных форм волн, извлекаются факторы характеристик неисправностей, и используется подгонка сходства факторов характеристик для идентификации аномальных состояний распределительных линий.
- Метод определения местоположения неисправностей на большой площади на основе распределительной сети
Перестраивается топология сети из смешанных воздушных и кабельных линий, многоветвевых линий и линий распределительной сети с изменяемой топологической структурой, и используются методы определения местоположения на большой площади для достижения измерения расстояния на большой площади и комплексных методов оптимизации распределительных сетей.
- Онлайн-мониторинг и предупреждение о скрытых опасностях
Скрытые опасности, вызванные недостаточным расстоянием изоляции, такие как деревья, повреждения птиц, плавающие объекты, загрязнение изоляторов и замерзание, будут генерировать слабые сигналы бегущей волны перед пробоем. Сигнал бегущей волны передается по проводам к обоим концам, мониторинг и анализ слабых сигналов бегущей волны на сборочной линии позволяет достичь двустороннего позиционирования и предупреждения о скрытых опасностях на сборочной линии.
3.Предложение по передаче данных и проектированию системы
Распределенное устройство мониторинга неисправностей, устройство определения местоположения неисправностей и терминал определения местоположения неисправностей для распределительных линий используют APN-карты, назначенные энергетической компанией, и способы беспроводной связи 4G или 5G.
Рекомендуется построить систему диагностики неисправностей распределительной сети в городском управлении. Система может быть независимо развернута на серверах или платформах облачного главного узла распределительной сети, и может подключаться к платформе управления имуществом через протоколы связи, такие как MQTT и HTTP, для сбора данных, обеспечивая диагностику неисправностей распределительной сети на уровне города. Система может быть интегрирована с системой автоматизации распределительной сети.
4. Принцип выбора точек установки
По сравнению с линиями передачи продукты позиционирования бегущей волны распределительной сети имеют относительно низкую стоимость. Напряжение распределительных линий невысоко, а амплитуда сигналов бегущей волны при неисправностях относительно мала. Кроме того, каждый раз, когда сигнал проходит через точки разрыва волнового сопротивления (например, контакт T-образного соединения линии, соединение между кабелем и воздушной линией), он претерпевает рефракцию и отражение, и амплитуда сигнала бегущей волны уменьшается. Для того чтобы обеспечить обнаружение сигнала бегущей волны при его передаче устройству мониторинга, устройство обычно следует принципу выбора точек установки с интервалом 3-5 км. Конкретные требования следующие:
- При установке автоматических выключателей на фидере и на T-образном соединении линии предпочтение отдается терминалам измерения расстояния бегущей волны FTU. Обычно набор устройств позиционирования бегущей волны устанавливается рядом с выключателем в начале и конце линии, а установка в середине линии зависит от длины линии и состояния ответвлений. Если в середине нет ответвлений, можно установить один комплект с интервалом около 5 километров. Если есть несколько ответвлений, то один комплект должен устанавливаться с максимальным интервалом в 3 ответвления (короткие ответвления длиной менее 200 метров можно игнорировать). Когда в середине есть несколько ответвлений, расстояние между устройствами мониторинга не должно превышать 3 километра.
- Выбираются распределительные трансформаторы и устанавливаются терминалы измерения расстояния бегущей волны на расстоянии около 1 километра в начале и конце ответвлений, рекомендуется не более 2 промежуточных подответвлений.
- Когда есть несколько распределительных трансформаторов, доступных для выбора, рядом с одной и той же точкой установки, предпочтение отдается установке терминала измерения расстояния бегущей волны на трансформаторе большей мощности.
5. Подробная проектная схема предупреждения о скрытых опасностях и определения местонахождения неисправностей распределительных линий
В качестве пилотных линий выбраны 5 распределительных линий: как показано на рисунках 5.1-5.5.
Рисунок 5.1 Пилотный маршрут 1
Рисунок 5.2 Пилотный маршрут 2
Рисунок 5.3 Пилотный маршрут 3
Рисунок 5.4 Пилотный маршрут 4
Рисунок 5.5 Пилотный маршрут 5
Вход
