Выбор способа идентификации электроприёмников в электрической сети на примере животноводческой фермы на базе «Ос» «Стрелецкая»

Разработка системы идентификации и диагностики режимов работы электроприёмников путём установки отдельных датчиков на каждое устройство, находящееся в электрической сети, является несложной и достаточно тривиальной задачей, которая успешно решается во всём мире на различных промышленных и сельскохозяйственных объектах. Главным недостатком такого подхода является высокая стоимость, габариты и большое количество электронных блоков подобных систем, что увеличивает вероятность отказа подобного оборудования. Разработка таких распределённых систем оправдана для сложных и многофункциональных устройств.

Альтернативным вариантом является разработка системы групповой идентификации электроприёмников с помощью электрических, акустических, оптических и других методов без установки отдельных датчиков на каждое устройство. Данный подход широко развивается в России и за рубежом, однако на сегодняшний день не обладает высокой достоверностью.

Цель исследования – проанализировать существующие методы идентификации и диагностики режимов работы электроприёмников в электрической сети и выбрать наиболее подходящий для разработки автоматизированной системы контроля состояния электроприёмников для телятника животноводческой фермы «ОС» «Стрелецкая».

Материалы и методы исследования. В работе рассмотрены публикации

Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 1 (46)                          39

отечественных и зарубежных авторов по соответствующей теме исследования за последние 5 лет.

В работе [1] идентификация электроприёмников осуществляется по совокупности факторов, являющимися характеристиками электрической сети. Нейросеть выстраивает приоритет факторов, которые вносят наибольший вклад в определение устройств, подключенных к сети. В результате наиболее значимыми факторами являются средняя пиковая мощность, средняя активная мощность и максимальная мощность. Авторы считают наименее значимыми факторами ежедневное потребление электроэнергии и время переходных процессов при подключении к сети и отключении от неё. Точность определения электроприёмников с помощью машинного обучения показали точность идентификации не менее 90%.

В работе [2] идентификация заключается в том, что в течение суток снимаются графики различных показателей каждого потребителя при отключённых остальных. К этим показателям относятся: активная и реактивная мощность, ток, напряжение сети. Для ответа на вопрос об идентификации производится сравнение графиков реального времени активной мощности с ранее отснятыми, эталонными. При невозможности определения потребителя по графику активной мощности производится дальнейшая идентификация по другим показателям – реактивной мощности, току и напряжению. Потребители со сложно прогнозируемым графиком нагрузки не могут быть определены с помощью данного алгоритма. Точность идентификации составляет 96%.

Идентификация электроприёмников в работе [3] осуществляется с помощью анализа спектрального состава потребляемого тока. Для цифровой обработки используется быстрое преобразование Фурье. Спектрального состава потребляемого тока переводится в полярные координаты и векторную форму. Это позволяет сформировать уникальные цветные изображения для каждого электроприёмника. Нейросеть распознаёт изображения и сравнивает их с эталонными для каждого электроприёмника.

Измерение уровня электромагнитного излучения потребителей лежит в основе распознавания электрпориёмников в работе [4]. Использование датчиков напряженности поля позволяет снять и проанализировать электромагнитный спектр излучения потребителей с помощью преобразования Фурье. Преимуществом метода является возможность распознавания однотипных устройств в одной сети.

Способ выявления нарушителей в электрической сети посредством анализа коэффициента гармоник напряжения сети лежит в основе статьи [5]. Данный метод не имеет прямого отношения к идентификации электроприёмников, но вполне приемлем для определения приборов, дающих сильные искажения в сеть (например, симисторные регуляторы).

В рассмотренных публикациях рассмотрены задачи непосредственной идентификации и мониторинга режимов работы электроприёмников. Далее необходимо рассмотреть материалы, где представлены диагностика электроприёмников рассмотрена для частных случаев. Несмотря на это, опыт данных публикаций может быть полезным для достижения цели, поставленной в работе.

В источниках [6], [7] и [8] применены акустические методы диагностики. В первом он используется для диагностики изоляции проводника, во втором – для выявления неисправности силовых трансформаторов, а в третьем – для диагностики состояния асинхронного двигателя. Первые два случая связаны с анализом отклика отправляемых звуков ых импульсов. Для анализа состояния асинхронного двигателя анализируется спектр 40                  Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 1 (46)

его акустического излучения и проверяется наличие или отсутствие гармоник, которые присущи конкретному двигателю.

Мониторинг режима работы асинхронного двигателя в источнике [9] осуществляется с помощью спектрального анализа потребляемого тока, преобразованного в годограф. Его вид значительно изменяется при возникновении аварийного режима.

Для анализа состояния силовых трансформаторов в работе [10] предложен тепловой метод. Построение карты тепловых поверхностей обеспечивает выявление критических точек объектов и сравнение значений температур с эталонными.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 представлена план телятника «ОС» «Стрелецкая».

Рисунок 1 – План телятника «ОС» «Стрелецкая»

Основными потребителями в телятнике являются транспортёры навозоудаления, оконные вытяжные вентиляторы и светодиодные лампы. Транспортёры и вентиляторы реализованы на базе асинхронных двигателей. Питание на устройства поступает с входного распределительного щита.

Схема релейно-контакторного управления нагрузкой представлена на рисунке 2. Напряжение поступает через автоматический выключатель QF1. Для каждого двигателя реализована отдельная схема пуска, но на схеме показана лишь одна, так как они являются одинаковыми. Напряжение на двигатели подаётся через контактор KM1, включение которого осуществляется посредством кнопок S4 и S5. Линии питания освещения равномерно распределены по фазам и включаются выключателями S1 – S3.

Рисунок 2 – Схема управления нагрузкой телятника «ОС» «Стрелецкая»

Таким образом, задача сводится к идентификации индуктивной нагрузки, которой являются асинхронные двигатели и осветительной нагрузки, которой являются лампы освещения.

Ответ на вопрос о включения каждой отдельной лампы не имеет смысла, поскольку их задача состоит в обеспечении заданного уровня освещённости. Исходя из этого целесообразно применение оптических датчиков, которые способны контролировать параметры освещения.

При идентификации асинхронных двигателей можно столкнуться со следующими проблемами:

• 1)    Осуществление контроля по каждой из трёх фаз питающей сети;

• 2)    Спектр тока двигателя может быть значительно искажён за счёт старения обмоток и других неисправностей;

• 3)    Асинхронный двигатель нельзя назвать электроприёмником с легко прогнозируемым поведением. Его выходные характеристики зависят от механической нагрузки на валу;

• 4)    Если в сети имеются двигатели разной мощности, то возможен эффект наложения спектров, что сделает выделение спектра одного двигателя трудноосуществимой задачей.

Вышеперечисленные сложности требуют точного определения параметров электродвигателей в различных режимах работы и прогнозирования их поведения. Эти факторы ограничивают возможности идентификации асинхронных двигателей с помощью электрических методов.

Использование преобразователей частоты, соединённых в единую промышленную сеть RS-485 решает все описанные проблемы, однако данный метод является весьма дорогостоящим.

Альтернативой электрическому методу идентификации электродвигателей является акустический метод. Его преимущество в том, что спектр звука, издаваемый вращающимися механическими деталями, является более уникальным, чем спектр тока. Но при этом можно столкнуться со следующими трудностями:

• 1)    Фильтрация спектра асинхронного двигателя от прочих акустических шумов;

• 2)    Установка акустических датчиков в каждом помещении, где находятся асинхронные двигатели.

Поскольку в рассматриваемом телятнике используются две пары одинаковых двигателей и линейка одинаковых светильников, то методы идентификации электроприёмников, описанные в источниках, неприемлемы, потому что не рассматривают случаи идентификации потребителей с одинаковыми параметрами и схожими спектрами электрических характеристик.

Наиболее рациональным вариантом является разработка комбинированного метода, в котором нивелируются недостатки всех вышерассмотренных методов. Его суть заключается в идентификации асинхронных двигателей по переходному процессу среднеквадратического значения тока. Во время работы электропривода будет осуществляться диагностика его исправности по акустическим шумам. Уровень освещённости контролируется оптическими датчиками и сравнивается с нормальным для каждого времени суток. При снижении допустимого уровня приходит сообщение об ошибке и неисправности светильников.

На рисунке 3 представлена структурная схема измерительной системы для телятника.

Рисунок 3 – Структурная схема измерительной системы для телятника «ОС» «Стрелецкая»

Блоки контроллеров представляют из себя модули, реализованные на микроконтроллерах. Контроллер 1 измеряет уровень освещённости, контроллер 2 производит анализ акустических данных двигателей, контроллер 3 снимает данные об электрических характеристиках сети для идентификации асинхронных двигателей. Контроллеры подключены в единую сеть RS-485, а с помощью преобразователя интерфейсов сигналы промышленной сети преобразуются в сигналы USB для вывода данных на персональный компьютер. Он представляет собой моноблок с сенсорной панелью ввода-вывода и установлен вблизи распределительного щита. Если требуется автоматизация нескольких объектов, то подобная измерительная схема устанавливается на каждый из них, а компьютеры связываются между собой посредством сети Интернет и выводят данные на общий сервер. Таким образом, осуществляется удалённый контроль за объектом.

Выводы

В ходе работы были проанализированы материалы отечественных и зарубежных источников по теме идентификации электроприёмников в электрической сети. В существующих решениях был выявлен существенный недостаток, который заключался в невозможности применения методов для определения нескольких одинаковых нагрузок или нагрузок со схожими характеристиками. Для реализации системы идентификации электроприёмников для телятника «ОС» «Стрелецкая» был предложен новый комбинированный метод и разработана структурная схема измерительного комплекса. Метод предполагает комплексную оценку состояния электроприёмников с учётом их индивидуальных особенностей. Распознавание включения асинхронных двигателей осуществляется с помощью анализа среднеквадратического значения тока переходного процесса, их работа диагностируется акустическим методом, а исправность светильников определяется посредством контроля освещённости телятника.