Применение технологии интернета вещей в энергетике для мониторинга в электрических сетях энергораспределительных систем низкого напряжения в целях прогнозирования технического состояния оборудования и управления надёжности энергосистемы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Важная часть энергопотребления - электрические сети. Центральной задачей эксплуатации электрических сетей является техническая диагностика и выявление дефекта до наступления отказа оборудования, ввиду того, что отказ часто создает опасность для жизни людей, приводит к значительным экономическим потерям. И с каждым годом к электрическим сетям предъявляют все большие требования по безопасности, экономичности, надежности и качеству. На данный момент в России большая часть сетей низкого потребления не подвергается детальному мониторингу, не всегда можно определить в какой части произошли обрыв или авария, и тем более это тяжело предугадать [1, 2]. Для оперативного выявления развивающегося дефекта в электрических сетях часто требуется системный анализ данных длительного мониторинга, который может быть выполнен только с использованием современных информационных технологий. Применение систем технического мониторинга обеспечивает контроль технического состояния, поиск места неисправности в электрических сетях. Новые системы технического мониторинга способны обеспечить эффективный контроль и управление электрических сетей при наличии интеллектуальных методов обработки информации. Для создания такой системы диагностики в энергетике применяется математическое моделирование и методы цифровой обработки.

Нашей целью является создание системы сбора и передачи информации (ССПИ) для сетей низкого напряжения. Наша задача - мониторинг дефектов электрических сетей энергораспределительных систем с последующей обработкой и анализом данных. Для дешёвого и наиболее эффективного наблюдения за состоянием сети, на наш взгляд лучше всего подходит использование технологии «интернет вещей» (Internet of Things). В результате проделанной работы спроектировано, разработано и функционирует портативное устройство АСС-001, выполняющее мониторинг электрических сетей энергораспределительных систем на основе технологии «Интернет вещей».

Среди специалистов нет общего мнения, которое бы определяло, что представляет собой технология «Интернет вещей». Роб Ван Краненбург, основатель Европейского совета по «Интернету вещей» считает, что: «IOT - это концепция пространства, в котором все из аналогового и цифрового миров может быть совмещено - это переопределит наши отношения с объектами, а также свойства и суть самих объектов» [3]. Интернет вещей (The Internet of Things (IoT) - сеть сетей, состоящих из уникально идентифицируемых объектов (вещей), способных взаимодействовать друг с другом без вмешательства человека, через IP-подключение. Интернет вещей - концепция, которая предполагает более широкое применение технологии M2M (machine-to-machine). Сегмент M2M во многом является основой концепции IoT. Таким образом, интернет вещей - это единая сеть, соединяющая окружающие нас объекты реального мира и виртуальные объекты. Ключевым в этом определении является автономность устройств и их способность передавать данные самостоятельно, без участия человека. Важнейшая задача использования технологии Интернета вещей - это создание комплекса, объединяющего информационные процессы с производственными, что делает генерацию, передачу и распределение энергии «умными» и снабжает сети усовершенствованными средствами диагностики. Исходя из описания выше, мы считаем, что технологию интернета вещей в энергетике можно представить, как множество различных приборов и датчиков, объединенных между собой беспроводными каналами связи и подключенных к сети Интернет. Совокупность современных информационных технологий с силовой электротехникой имеет множество применений. Технологии интернета вещей помогают при необходимости создания сети из множества устройств связанных друг с другом и центральным программным обеспечением посредством высокоскоростных беспроводных сетевых технологий. Одним из примеров использования интернета вещей в электроэнергетике является разработанное при участии компании «Солвера Линкс» (Solvera lynx) устройство мониторинга параметров защиты от импульсов напряжения «ProSMA».

ПОРТАТИВНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО АСС-001.

Для сбора информации нами было спроектировано собственное устройство Анализатор Состояния Сети (АСС). АСС-001 был создан на базе микроконтроллера ESP8266. Выбор данной модели обусловлен наличием WIFI интерфейса, низкого энергопотребления и сравнительной простоты формирования программного обеспечения, также ESP8266 является одним из самых популярных решений при работе с технологией интернета вещей, поэтому при работе с данным микроконтроллером не возникло проблем с поиском подходящих комплектующих. Для удобства и увеличения функциональности ESP8266 была помещена на плату NodeMCU, следует заметить, что данная плата необходима только на этапе разработки и в дальнейшем использоваться не будет, по причине высокого энергопотребления (относительно работы ESP8266 без NodeMCU).

Рис. 1

На рисунке изображен микроконтроллер ESP8266, помещенный на плату NodeMCU.

Для первой версии анализатора состояния сети (АСС-001) в качестве основного датчика, считывающего величину тока в сети, был выбран датчик тока ACS712, имеющий предел измерений 20 А, работающий на основе эффекта Холла. Для питания датчику требуется постоянное напряжение 5 В Выбор именно этого датчика для АСС-001 обусловлен его хорошей совместимость с ESP8266 и дешевизной. В дальнейшем рассматривается возможность замены ACS712 на бесконтактный датчик тока MP563 с трансформаторным принципом измерения тока. Такая замена позволит упростить монтаж АСС.

Рис. 2. Датчик тока ACS712 и его контакты

На рис. 3 представлена схема соединения элементов входящих в состав конструкции АСС-001. К плате NodeMCU, на которой находится ESP8266, подается питание(провод питающий платы не изображен на рисунке) с напряжением 5 В. В свою очередь микронтроллер ESP8266 питается с платы напряжением 3,3 В, также подается питание на датчик тока ACS712 с контакта 1 платы(напряжение 5 В). Значения величины измеряемого тока приходят на контакт 2 платы, стоит отметить, что для получения корректных значений между контактами B датчика и 2 платы необходимо расположить делитель напряжения, который понижает значение напряжения с 5 В до 3,3 В.

Необходимость такого технического решения обусловлена разницей напряжения, которое подается с датчика тока ACS712 (5B) и рабочим напряжением микроконтроллера ESP8266(3,3 В).

Рис. 3. Схема соединения составных элементов АСС-001

Общий принцип работы АСС-001 можно представить следующими шагами:

1) Датчик ACS712 считывает величину тока в проводнике, передает полученные значения на микроконтроллер.

2) ESP8266, используя аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) обрабатывает данные полученные с датчика в виде аналогового сигнала пропорционального току в проводнике, и рассчитывает действующее значение тока в цепи.

3) Полученные величины тока отправляются на сервер по протоколу TCP/IP, с использованием протокола прикладного уровня передачи данных «HTTP».

4) Сервер осуществляет запись полученных значений в базу данных (БД).

Рис. 4. Упрощенный принцип работы АСС-001

Данный принцип работы уже прошел первые испытания, прототип устройства сконструирован, рассматриваются дальнейшие возможные улучшения его работы. Портативное устройство АСС-001 в перспективе может быть принципиально усовершенствовано через расширение характеристик мониторинга, которые могут включать: измерение температуры и влажности, уровень напряжения в цепи, дискретные сигналы. Кроме того, рассматривается использование технологии сбора энергии из окружающей среды или магнитного поля проводника (Energy Harvesting), на который установлен АСС для увеличения срока работы без подзарядки аккумуляторов. Также для упрощения создания инфраструктуры планируется переход на альтернативные способы связи АСС между друг другом и сервером. электрический сетевой дефект интернет

Совокупность устройств АСС-001 находящихся в электрораспределительной сети благодаря одновременному анализу и отправке данных о состоянии участков этой сети даёт возможность максимально быстро локализовать точки аварий и устранить их. Значительный объем информации, беспрерывно получаемой с некоторого количества АСС-001, даёт возможность составления некоторой базы статистических данных, что в будущем может помочь в глубоком анализе причин аварии. Анализ причин аварии заключается в создании моделей, которые смогут предсказать возможные аварии на основе статистических данных.

Общий принцип работы системы заключается в постоянном сборе информации о состоянии основных участков энергораспределительной цепи. Характеристикой состояния цепи может считаться: совокупность температуры, влажности помещения наличие или отсутствие тока на участке, его величина (всё это планируется реализовать в последующих версиях АСС). Также с датчиков, установленных на участках цепи, будет создаваться большой массив данных, состоящий из времени, условий и местоположений произошедших аварий и не желаемых режимах работы цепи. Данный массив информации в последствие будет обрабатываться методами математического анализа (Big data), что может быть использовано для прогнозирования и предотвращения ещё не случившихся аварий.

Таким образом, нами получен алгоритм работы устройств технологии Интернет вещей. Создано беспроводное устройство (портативный измеритель) Анализатор Состояния Сети - АСС-001, работающий на базе микроконтроллера ESP8266 с датчиком тока ACS712 и программным обеспечением необходимым для работы и передачи данных в отсутствии непосредственного участия оператора (человека). Анализатор АСС-001 является законченной системой состоящей из средств вычисления, хранения данных и средств соединения с сетью, что дает возможность для сбора данных о параметрах функционирования электроэнергетического оборудования. Область применения портативного измерителя АСС-001 - мониторинг в электрораспределительных системах, формирование единой системы мониторинга энергетической сети. В условиях низкого уровня развития для мониторинга энергораспределительных систем, позволяет ССПИ сократить расходы на обеспечение ремонтного обслуживания электрических сетей энергораспределительных систем за счет прогнозирования аварийных ситуаций. На данный момент нами подготовлена фундаментальная база для создания единой ССПИ на основе множества АСС. Работа данной ССПИ нацелена на реализацию постоянного сбора больших объемов информации и их дальнейшего анализа. Применяемый подход может быть расширен для сбора информации и анализа технического состояния силового оборудования подстанций. На основании собираемых данных возможно осуществить прогнозирование отказов оборудования и комплексную оценку состояния оборудования как в рамках одной подстанции, так и в масштабах энергосистемы.

Список литературы

1. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982. - 312 с.

2. Фокин Ю.А., Туфанов В.А. Оценка надежности систем электроснабжения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 224 с.

3. Крэйг Хант. TCP/IP. Сетевое администрирование, 3-еиздание. - Пер. с англ. - СПб: Сим-вол-Плюс, 2007. - 816 с.

Размещено на Allbest.ru