Исследование системы бесконтактного контроля функционирования воздушных линий в условиях низкого качества электроэнергии

Анализ состояния проблемы

Распределительные сети среднего напряжения 6–10 кВ в Российской Федерации характеризуются значительной протяженностью, разветвленной структурой, высокой долей воздушных линий и существенной долей оборудования с длительным сроком эксплуатации. Анализ надежности таких сетей показывает повышенную повреждаемость воздушных линий электропередачи (ЛЭП) и значительную продолжительность перерывов электроснабжения, что связывается с территориальной разобщенностью, изношенностью ЛЭП и коммутационной аппаратуры, а также ограниченной оснащенностью средствами мониторинга [1–3].

Наиболее характерным видом повреждений для сетей среднего напряжения являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Согласно современным обзорам по диагностике и прогнозированию отказов линий среднего и высокого напряжения, ОЗЗ относятся к наиболее частым и одновременно селективно трудновыявляемым повреждениям, особенно при высоком сопротивлении замыкания и в изолированных либо компенсированных сетях [4]. Это обусловливает необходимость применения непрерывных систем мониторинга токов и напряжений по всей длине линии, а не только на подстанционном уровне.

Современные распределительные сети функционируют в условиях роста доли нелинейных нагрузок и силовой электроники. Применение преобразователей частоты, ШИМ-приводов, инверторных источников и распределенной генерации приводит к появлению гармонических искажений, несимметрии фазных напряжений, фликера и нестационарных процессов [5].

Исследования критериев оценки качества электроэнергии в условиях несинусоидальности и несимметрии показали, что классические показатели режима могут существенно искажаться при наличии гармоник и асимметрии [6]. В распределительных сетях промышленного назначения мониторинг качества электроэнергии рассматривается как обязательный элемент обеспечения надежной работы оборудования, особенно при высокой доле преобразовательной техники [7]. Аналогичные выводы делаются для энергосистем с переменными режимами, например, интегрирующих ветровую генерацию, где колебания параметров сети требуют устойчивых систем раннего обнаружения возмущений [8].

Таким образом, электрическая среда сетей среднего напряжения представляет собой нестационарный и часто несинусоидальный процесс, в котором формируются токи и напряжения с усложненной спектральной структурой.

Современные системы мониторинга качества электроэнергии ориентированы на длительную регистрацию параметров с высокой частотой дискретизации и устойчивую работу в различных климатических и электрических условиях [9].

В то же время в литературе отмечается, что ухудшение качества электроэнергии может приводить к искажению показаний измерительных и защитных устройств, что требует отдельной экспериментальной оценки их корректности в таких условиях [10]. Обзоры по онлайн-мониторингу кабелей и линий электропередачи подчеркивают необходимость малоинвазивных систем, способных работать без вывода линии из эксплуатации и сохранять устойчивость к помехам [2, 11].

В российской практике описаны датчики тока и напряжения для мониторинга ЛЭП, интегрируемые с микропроцессорной обработкой сигналов и предназначенные для одновременного контроля режима и качества электроэнергии [12]. При этом подчеркивается необходимость дальнейших метрологических исследований и оценки устойчивости таких систем к различным режимным условиям.

Отдельное направление составляет мониторинг состояния линий на основе анализа потоков данных интеллектуальных счетчиков и других сетевых устройств. Показана возможность выявления однофазных и полных отключений на значительных протяженностях линий с применением методов машинного обучения [13]. Однако такие подходы не решают задачу физического контроля электромагнитных параметров линии.

Таким образом, анализ литературы показывает, что:

• •    детально исследованы вопросы надежности сетей среднего напряжения и характер повреждений, включая ОЗЗ [1];

• •    активно развиваются методы мониторинга качества электроэнергии в условиях нестационар-ности и несинусоидальности [5–9];

• •    рассматриваются контактные и бесконтактные решения для мониторинга линий электропередачи [11, 12];

• •    исследуется устойчивость измерительных систем к вариациям условий эксплуатации [9, 10].

Вместе с тем в опубликованных работах практически отсутствует системный анализ влияния ухудшенного качества электроэнергии на корректность функционирования бесконтактной системы мониторинга ЛЭП, основанной на регистрации магнитного и электрического полей. Поскольку такие системы регистрируют параметры, формируемые токами и напряжениями линии, искажения формы сигналов потенциально могут влиять на информативность диагностических признаков и устойчивость алгоритмов обработки.

Следовательно, актуальной научной задачей является исследование работоспособности бесконтактной системы мониторинга линий электропередачи в условиях различного качества электроэнергии – от близкого к синусоидальному режима до режимов с выраженными гармоническими искажениями и несимметрией – и оценка сохранения диагностической чувствительности при варьировании параметров электрической среды.

Система бесконтактного контроля функционирования ВЛ

Система бесконтактного контроля представляет собой аппаратно-программный комплекс для регистрации изменений режима работы ВЛ среднего напряжения без подключения к токоведущим частям. Комплекс включает первичные преобразователи, измерительный тракт с оцифровкой, синхронизацию времени и программные модули обработки, обеспечивающие выделение момента изменения режима.

В качестве первичных преобразователей используются два типа датчиков, формирующие не- зависимые измерительные каналы: бесконтактный индуктивный датчик магнитной составляющей электромагнитного поля и бесконтактный емкостный датчик электрической составляющей. Индуктивный канал функционирует на основе закона Фарадея и формирует выходной сигнал при изменении магнитного потока, создаваемого током линии. Емкостный канал формирует сигнал при изменении электрического поля, обусловленного изменениями напряжения линии.

Программная часть комплекса основана на алгоритме детекции изменений режима работы ВЛ среднего напряжения (рис. 1), реализующем обработку сигналов каждого из датчиков по отдельности, и анализе изменения средней энергии основной гармоники этих сигналов.

Совместное использование магнитного и электрического каналов повышает наблюдаемость режима, комплементарность сигналов позволяет повысить устойчивость автоматического анализа к вариативности условий установки датчиков и внешним помехам.

Описание проведенных экспериментов

Тестирование системы бесконтактного контроля проводилось при помощи лабораторной установки, повторяющей в габарите трехфазную воздушную линию распределительной сети среднего напряжения с изолированной нейтралью [14, 15].

В рамках экспериментов были смоделированы следующие режимы: возникновение ОЗЗ на фазе А, В, С на участке линии, расположенном до места установки бесконтактных датчиков; возникновение

Рис. 1. Схема алгоритма обработки сигналов бесконтактных датчиков Fig. 1. Algorithm for processing non-contact sensor signals

ОЗЗ на фазе А, В, С на участке линии, расположенном после места установки бесконтактных датчиков. ОЗЗ воспроизводилось в течение 10–30 с, после чего отключалось. До и после появления ОЗЗ лабораторная установка находилась в нормальном режиме симметричной трехфазной нагрузки (1250 Вт на фазу).

В ходе экспериментов записывались осциллограммы фазных токов и напряжений при помощи измерительного прибора «Энерготестер ПКЭ». А также записывались сигналы бесконтактных датчиков системы бесконтактного контроля. Частота дискретизации измерений «Энерготестер ПКЭ» составляет 10 кГц, а частота записи сигналов бесконтактных датчиков – 3200 Гц. Для совместного анализа данные приводились к одной частоте дискретизации (3200 Гц).

При этом эксперименты повторялись в условиях различного качества электрической энергии внешней электрической сети.

Для оценки параметров качества электрической энергии рассчитывались следующие параметры (длина окна соответствует периоду промышленной частоты):

среднеквадратичное значение для токов и напряжений:

1 ^N

X RMS“J“ E x [ ⁿ ] ,                   (1)

V N n = 0

где X _RMS – среднеквадратичное значение параметра; x [ n ] - значение анализируемого сигнала в окне; N – число точек сигнала в окне;

коэффициент нелинейных искажений (THD) для токов и н апряж ений:

H

I a2

—100%,                (2)

A 1

где THD – коэффициент нелинейных искажений сигнала, %; A1 – амплитуда основной гармоники сигнала; Ah – амплитуда h-й высшей гармоники.

Оценка зашумленности сигналов бескон- тактных датчиков проводилась на основе доли мощности гармоники 50 Гц по отношению к высшим гармоникам для сигналов бесконтактных датчиков:

„     Pf -a f , f l +a f ]

R 50      -------

P 0, f max ]

где R ₅₀ – доля мощности основной гармоники, о. е.;

P     – спектральная мощность сигнала в по- лосе [fa, fb].

^P fa , f b ]

I |X [ k ]2,

^k : ^f a А Л A ^f b

где X [k] - результат расчета быстрого преобра- зования Фурье в окне; fk – частота анализируемой гармоники, Гц.

В табл. 1 приведено время возникновения ОЗЗ в ходе экспериментов.

На рис. 2, 3 представлены фрагменты сигналов бесконтактных датчиков и токов/напряжений лабораторной установки для двух блоков экспериментов.

В табл. 2 представлены усредненные результаты оценки качества электрической энергии для двух групп опытов.

Во втором блоке экспериментов наблюдается ухудшение качества электрической энергии. По оценке напряжений THD вырос примерно с 1,5–1,6 до 1,9–2,0 %, однако по оценке токов THD вырос с 2,6–3,0 до 8,6–10,7 % (в 3–4 раза). Для алгоритмов детекции, основанных на анализе спектральных признаков, такие изменения качества электрической энергии являются значительным

Таблица 1

Время возникновения ОЗЗ в ходе экспериментов

Table 1

Time of single-phase fault occurrence during experiments

№ Эксперимент Время возникновения ОЗЗ Время отключения ОЗЗ Первый блок экспериментов 1 ОЗЗ ф. A (до) 11:19:25,65 11:20:09,35 2 ОЗЗ ф. А (после) 11:28:55,58 11:29:25,65 3 ОЗЗ ф. В (до) 11:16:55,56 11:17:29,72 4 ОЗЗ ф. В (после) 11:26:55,40 11:27:25,96 5 ОЗЗ ф. С (до) 11:21:55,32 11:22:26,07 6 ОЗЗ ф. С (после) 11:24:55,81 11:25:24,95 Второй блок экспериментов 1 ОЗЗ ф. A (до) 13:06:56,23 13:07:26,17 2 ОЗЗ ф. А (после) 12:56:36,15 12:56:58,16 3 ОЗЗ ф. В (до) 13:08:56,28 13:09:26,19 4 ОЗЗ ф. В (после) 12:58:26.64 12:58:56,26 5 ОЗЗ ф. С (до) 13:10:26,43 13:10:57,06 6 ОЗЗ ф. С (после) 13:00:28.29 13:00:56,46 негативным фактором – растет фон в спектре и ухудшается точность детекции.

При этом во втором блоке экспериментов доля мощности основной гармоники (50 Гц) сигна- лов датчиков резко падает с 35 до 0,45 % (на основе медианной оценки по всем датчикам). Таким образом, полезная компонента сигнала «растворяется» на фоне спектральных искажений.

Рис. 2. Фрагмент сигналов из опыта № 2 первого блока (ОЗЗ ф. А после)

Fig. 2. Signals fragments of the No. 2 experiment in the first group (phase A fault after the sensors)

Рис. 3. Фрагмент сигналов из опыта № 2 второго блока (ОЗЗ ф. А после)

Fig. 3. Signals fragments of the No. 2 experiment in the second group (phase A fault after the sensors)

Таблица 2

Table 2

Сравнение параметров качества электрической энергии в экспериментах

Comparison of power quality parameters during experiments

Параметр	RMS median , A	RMS median , В	THD median , %	THD 95 , %
Первый блок экспериментов
I a	5,09	–	2,56	3,02
I b	5,22	–	2,69	3,22
I c	4,64	–	3,03	3,66
U a	–	220,15	1,52	1,91
U b	–	224,90	1,61	1,91
U c	–	216,83	1,54	1,82
Второй блок экспериментов
I a	3,60	–	9,52	12,00
I b	3,66	–	8,56	10,91
I c	3,30	–	10,73	13,15
U a	–	219,08	1,94	2,29
U b	–	225,28	1,90	2,17
U c	–	218,24	1,94	2,30

Таблица 3

Результаты работы алгоритма определения ОЗЗ

Table 3

Results of the single-phase fault detection obtained using algorithm

№	Время возникновения ОЗЗ	Время, рассчитанное алгоритмом	Число сработавших датчиков	Время отключения ОЗЗ	Время, рассчитанное алгоритмом	Число сработавших датчиков
Первый блок экспериментов
1	11:19:25,65	11:19:25,63	8/9	11:20:09,35	11:20:09,30	6/9
2	11:28:55,58	11:28:55,57	6/9	11:29:25,65	11:29:25,63	6/9
3	11:16:55,56	11:16:55,53	9/9	11:17:29,72	11:17:29,65	6/9
4	11:26:55,40	11:26:55,37	6/9	11:27:25,96	11:27:25,93	6/9
5	11:21:55,32	11:21:55,27	6/9	11:22:26,07	11:22:26,01	6/9
6	11:24:55,81	11:24:55,78	6/9	11:25:24,95	11:25:25,01	5/9
Второй блок экспериментов
1	13:06:56.23	13:06:56,27	2/9	13:07:26.17	13:07:26,09	6/9
2	12:56:36.15	–	–	12:56:58,16	–	–
3	13:08:56.28	13:08:56,31	3/9	13:09:26.19	13:09:22,52	1/9
4	12:58:26.64	12:58:26,72	4/9	12:58:56,26	12:58:50,74	1/9
5	13:10:26.43	13:10:25,75	1/9	13:10:57,06	13:10:53,03	2/9
6	13:00:28.29	13:00:27,14	1/9	13:00:56,46	13:00:53,39	2/9

Результаты работы алгоритма

В табл. 3 представлены результаты работы алгоритма детекции ОЗЗ в ходе каждого из экспериментов.

В первом блоке экспериментов система бесконтактного контроля отрабатывает стабильно. Момент возникновения и отключения ОЗЗ определяется с малой погрешностью (как правило, на уровне сотых долей секунды), при этом срабатывает большинство датчиков (для возникновения ОЗЗ обычно 6–9 из 9, для отключения – 5–6 из 9).

Во втором блоке эффективность системы заметно ухудшается. Снижается число срабатывающих датчиков (для возникновения ОЗЗ фиксируются срабатывания 1–4 из 9. В эксперименте с ОЗЗ ф. А (после) алгоритм не определил срабатывание ни одного из датчиков. Также возрастает расхождение между реальным временем возникновения возмущения и временем, рассчитанным алгоритмом (в отдельных опытах ошибки достигают порядка 1 с и более по моменту возникновения и нескольких секунд по моменту отключения).

При этом система сохраняет корректную работу в существенной доле случаев даже при низком качестве электроэнергии: в 5 из 12 событий второго блока (41,7 %) алгоритм определил время возникновения и отключения ОЗЗ с ошибкой 0,03–0,08 с, сопоставимой с результатами работы в условиях работы без нарушения качества электроэнергии.

Выводы

По результатам, представленным в табл. 3 можно заключить, что предложенная система контроля функционирования ВЛ среднего напряжения, основанная на обработке сигналов бесконтактных индуктивных и емкостных датчиков, корректно определяет момент изменения режима (возникновения ОЗЗ) как в условиях нормативного качества электрической энергии, так и при нарушении качества энергии. Это подтверждает работоспособность системы детектирования возмущений в условиях реальной эксплуатации под действием внешних шумов и искажением качества сигналов датчиков ввиду снижения качества электрической энергии на контролируемом участке сети.

Однако увеличение ошибок во времени определения изменения режима и возможных избыточных срабатываний при нарушении качества электрической энергии требуют дальнейшего развития данной системы.

В качестве одного из дальнейших направлений развития бесконтактной системы рассматривается исследование моделей классификации детектируемых изменений режима для того, чтобы повысить информативность и интерпретируемость срабатываний, а также снизить вероятность ложных срабатываний, в том числе в условиях низкого качества электроэнергии.