Комп’ютеризована інформаційно-вимірювальна система контролю ізоляції та обліку несанкціонованого відбору електроенергії в розподільних електричних мережах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Комп'ютеризована інформаційно-вимірювальна система контролю ізоляції та обліку несанкціонованого відбору електроенергії в розподільних електричних мережах

Спеціальність 05.13.05 - Комп'ютерні системи і компоненти

Черевко Олена Олександрівна

Красноармійськ - 2016

Анотація

У дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача створення комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи контролю стану розподільних мереж і виявлення несанкціонованого відбору електроенергії на основі запропонованого автором пристрою контролю струму, презначеного для безконтактного виміру струмів в мережі і бездротової передачі інформації про величину струмів на центральний пункт управління.

Розроблена структура вимірювальної і інформаційної складових комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи контролю функціонування розподільної мережі.

Розроблена структурна схема визначення місць несанкціонованого відбору ЕЕ, в основу якої покладений подовжньо-диференціальний принцип порівняння струмів на початку і у кінці контрольованої ділянки лінії, і наведені результати дослідження режимів її роботи. Уперше створено пристрій контролю струмів, що дозволяє контролювати параметри мережі, визначати місця розкрадання ЕЕ, параметри струмів і напруги, що протікають в мережі, і визначати місця однофазного замикання на землю, яке відрізняється тим, що схема пристрою передбачає можливість бездротової передачі даних на диспетчерський пункт або на ретранслятор з накопичувачем. Перетворення аналогового сигналу пристрою на цифрову форму дозволяє поєднувати пристрій з обчислювальною технікою і забезпечувати його достатню завадостійкість при передачі через радіоканал. Розроблений алгоритм виявлення місць обриву дротів ЛЕП.

Ключові слова: вимір, пристрій контролю струмів, ізоляція, несанкціонований відбір електроенергії, кодування, контролер.

Аннотация

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача создания компьютеризированной информационно-измерительной системы контроля состояния распределительных сетей и выявления несанкционированного отбора электроэнергии на основе предложенного автором устройства контроля тока, предначенного для бесконтактного измерения токов в сети и беспроводной передачи информации о величине токов на центральный пункт управления.

Разработана структура измерительной и информационной составляющих компьютеризированной информационно-измерительной системы контроля функционирования распределительной сети.

Разработана структурная схема определения мест несанкционированного отбора ЭЭ, в основу которой положен продольно-дифференциальный принцип сравнения токов в начале и в конце контролируемого участка линии, и приведены результаты исследования режимов ее работы. Впервые создано устройство контроля токов, позволяющее контролировать параметры сети, определять места хищения ЭЭ, параметры токов и напряжений, протекающих в сети, и определять места однофазного замыкания на землю, которое отличается тем, что схема устройства предусматривает возможность беспроводной передачи данных на диспетчерский пункт или на ретранслятор с накопителем. Преобразование аналогового сигнала устройства в цифровую форму позволяет совмещать устройство с вычислительной техникой и обеспечивать его достаточную помехоустойчивость при передаче по радиоканалу. Разработан алгоритм выявления мест обрыва проводов ЛЭП.

Ключевые слова: измерение, устройство контроля токов, изоляция, несанкционированный отбор электроэнергии, кодирование, контроллер.

Abstract

An actual scientific and technical problem of creating a computerized information-measuring system monitoring of distribution networks and the identification of unauthorized selection electricity based on the author's control current device used for contactless measurement of currents in the network and the wireless transmission of information on the magnitude of the currents to the control post is solved in the dissertation.

The structural diagram of the definition of an unauthorized selection of electricity, which was based on the principle of longitudinal differential comparison of the current at the beginning and at the end of the controlled area is designed, and the results of research modes of operation are submitted. For the first time, a control currents device, allowing to control the parameters networks to determine the place of theft of electricity parameters of currents and voltages occurring in the network, and determine the place of the single-phase ground fault, which is different because of the circuit device provides possibility of wireless data transmission to a control post or re-translator with a storage device. Analog signal transformation of the devices to a digital form lets combine the device with the computer-tronics and provide its sufficient noise immunity while transmitting by wireless. The algorithm for identifying wire breaks and transmission wires is elaborated.

The structure of the measuring and information constituents of a computerized control system operation distribution networks is developed.

The keywords: measurement, current sensor, isolation, unauthorized selection of electricity, coding, controller.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Великий інтерес нині викликають системи енергоспоживачів, які фізично розподілені на великій території. До таких систем належать розподільні електромережі напругою до 1000 В, які є ключовим компонентом у процесі транспортування і розподілу електроенергії споживачам. Для стійкої та ефективної роботи таких мереж потрібні з одного боку моніторинг стану і достовірне управління розподільними електромережами, з іншого боку - суворий облік енергоресурсів, а також забезпечення електробезпеки. Існуючі інформаційно-вимірювальні системи мають ряд істотних недоліків: відсутня інформація про окремих споживачів у реальному часі; відсутні оперативні баланси відпущеної і спожитої електроенергії; відсутня діагностика за визначенням місць пошкоджень і кількості втраченої електроенергії.

У зв'язку з цим видається актуальним створення єдиної комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) контролю ізоляції, обліку несанкціонованого відбору електроенергії і контролю режимів роботи мережі з використанням пристрою для контролю струмів, яка поєднує функції диспетчерського управління та обліку енергоспоживання і забезпечує безперервний автоматизований збір і передачу інформації про величину струму.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у рамках держбюджетних тем Приазовського державного технічного університету № 0112u005766 «Використання математичних моделей в системах управління різного ступеня складності», № 0113u006286 «Системи автоматичного управління технологічними процесами з використанням сучасних математичних методів».

Мета та задачі дослідження. Створення інформаційно-вимірювального комплексу для розподіленого контролю ізоляції мережі, адресного обліку відбору потужності споживачами і забезпечення реального моніторингу розподільних електричних мереж.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі задачі:

- аналіз існуючих комп'ютеризованих інформаційно-вимірювальних систем контролю і обліку електроенергії, що відповідають критеріям ефективності їх функціонування і практичної реалізації;

- створення структурної схеми та алгоритму функціонування комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи на основі розробленого пристрою контролю струмів, що дозволяє здійснювати контроль ізоляції та облік несанкціонованого відбору електроенергії в реальному часі;

- розробка базової розрахункової моделі, на підставі якої встановлюються технічні вимоги до системи, що розробляється, і розробка способу визначення величини і місць несанкціонованого відбору електроенергії з використанням створеного пристрою контролю струмів;

- розробка структурної схеми пристрою для виміру струмів у розподільній лінії і у споживачів, що забезпечує двосторонній зв'язок з приймально-передавальним пристроєм за бездротовим каналом зв'язку для обміну інформацією;

- розробка способу обробки сигналів у вимірювальному каналі пристрою, що забезпечує безперервність і достовірність вимірів.

Об'єкт дослідження - процес функціонування інформаційно-вимірювальної системи виміру та аналізу параметрів розподільних електричних мереж.

Предмет дослідження - інформаційно-вимірювальна система розподіленого контролю стану ізоляції і споживання потужності в розподільних електричних мережах.

Основні методи дослідження - методи оптимізації, теорії інформації і погрішностей, моделювання, натурного експерименту, методи теорії електричних ланцюгів, сучасні програмні засоби обчислювальної техніки, методи теорії ймовірностей.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше розроблена комп'ютеризована інформаційно-вимірювальна система розподіленого контролю параметрів розподільних мереж, що дозволяє скоротити об'єми вимірів, контролювати стан ізоляції, виявляти несанкціоновані відбори електроенергії, однофазні замикання на землю, обриви фазних дротів, здійснюючи при цьому двосторонній зв'язок з приймально-передавальним пристроєм на диспетчерському пункті за допомогою розроблених пристроїв для виміру струму, встановлених у мережі.

2. Вдосконалені алгоритми із виявлення подій нештатних ситуацій за станом електромережі (порушення стану ізоляції, несанкціонований відбір електроенергії, обрив фазного дроту) з розпізнаванням причин і місць їх появи та ідентифікацією за ознаками.

3. Отримано подальший розвиток функціональної схеми контролю стану ізоляції за допомогою додаткового високочастотного сигналу, що вводиться в силову мережу, яка дозволяє виявляти струми витоку ізоляції в реальному часі.

4. Уперше розроблений пристрій для виміру струмів у лінії та у споживачів, що відрізняється можливістю визначення струмів витоків ізоляції, величини і місця несанкціонованого відбору електроенергії і бездротовою передачею даних на диспетчерський пункт.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблений спосіб контролю стану ізоляції і визначення величини і місць несанкціонованого відбору електроенергії.

2. Розроблена структурна схема пристрою для виміру струмів у розподільній лінії та у споживачів, що забезпечує двосторонній зв'язок з приймально-передавальним пристроєм за бездротовим каналом зв'язку для обміну інформацією.

3. Створений алгоритм функціонування комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи, яка дозволяє здійснювати контроль ізоляції та облік несанкціонованого відбору електроенергії в реальному часі, що забезпечить оперативність і якість контролю параметрів мережі.

4. Результати теоретичних і експериментальних досліджень видані у вигляді рекомендацій РЕМ смт. Володарське для використання при розробці інформаційно-вимірювальної системи розподільної електромережі, що підтверджується відповідним актом.

5. Результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес кафедри «Автоматизація та комп'ютерні технології» ПДТУ при викладанні ряду дисциплін студентам, магістрантам і аспірантам, а також при виконанні НДР, що підтверджується відповідним актом.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора, що ґрунтується на опублікованих результатах досліджень. Автором особисто розроблені: структурна схема комп'ютеризованої системи, принципова схема пристрою контролю струму (ПКС), структурна схема визначення місць несанкціонованого підключення до мережі; алгоритм програми розрахунку режимів роботи розподільної мережі; розрахунки первинного перетворювача ПКС; розрахунок завадостійкості ПКС; оцінка і вибір точнісних характеристик ПКС з точки зору теорії інформації; моделювання обриву дроту фази і замикання фази на землю.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на таких конференціях: на міжнародних науково-технічних конференціях «Университетская наука» (м. Маріуполь, 2009 - 2015); на міжнародній науково-технічній конференції «Фізико - математичні дослідження та інформаційні технології в управлінні, науці, освіті та виробництві» (м. Маріуполь, 2011); на міжнародній науково-практичній конференції «Автоматизація і комп'ютерні технології» (м. Маріуполь, 2012); на ХІI і ХIV Міжнародних науково-технічних конференціях «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» (м. Донецьк, 2012, 2014); на науково-практичній конференції молодих учених і студентів «Наукові дослідження молоді - інновації в науці та практиці» (м. Маріуполь, 2013). Результати роботи доповідалися і отримали позитивну оцінку на наукових семінарах факультету «Інформаційних технологій» ДВНЗ «ПДТУ».

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковані 11 друкованих праць, з них 5 статей у наукових виданнях, затверджених ВАК України, 3 патенти і навчальний посібник з грифом, а також тези доповідей на міжнародних наукових конференціях.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовані актуальність, мета і задачі дисертації, викладена наукова новизна і практична значущість отриманих результатів, приведені відомості про публікації, апробацію і впровадження результатів.

У першому розділі роботи виконаний аналіз сучасних комп'ютеризованих інформаційно-вимірювальних систем і їх основних функціональних пристроїв. Виконаний аналіз структури втрат електроенергії в технічно розвинених країнах показав, що значну долю в структурі комерційних втрат посідають втрати через розкрадання електроенергії, обумовлені несанкціонованим підключенням споживачів і шахрайством з приладами обліку, а також втрати при затребуванні оплати, обумовлені оплатою пізніше встановленої дати і довготривалими боргами. Питання контролю стану ізоляції і обриву фазних дротів із замиканням на землю в розподільних мережах також є актуальними, оскільки це пов'язано з електробезпекою.

Існуючим системам властиві недоліки, що не дозволяють вирішити вказані вище задачі: функціонування двох автономних підсистем на одному об'єкті; низька достовірність контролю та управління розподільними електромережами; недостатня точність вимірів параметрів розподільних електромереж; використання проміжних перетворювачів вимірюваних фізичних величин в нормалізовані електричні сигнали; дротові лінії зв'язку; низька швидкодія; відсутність детальної інформації про кожен об'єкт.

Нині для стійкої та ефективної роботи енергосистем потрібні з одного боку суворий контроль, що ґрунтується на точності вимірів і надійному управлінні розподільними електромережами, з іншого боку - суворий облік енергоресурсів і розробка оптимальної системи, здатної упорядкувати взаємовідношення побутових споживачів і електрозабезпечуючих організацій, з урахуванням специфіки цього сектору. Рішенням в ситуації, що склалася, є розробка і впровадження комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи контролю стану розподільних мереж, що дозволяє виявити несанкціоновані відбори електроенергії, однофазні замикання на землю, обриви фазних дротів, контролювати стан ізоляції, і спрямованої на автоматизований контроль і облік електроенергії у кожного споживача.

На підставі проведеного аналізу сформульовані мета роботи і поставлені задачі, необхідні для її досягнення.

У другому розділі розглядається побудова комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи контролю стану електромережі й обліку електроспоживання, а також наводяться розв'язання щодо таких питань: контролю стану ізоляції, замикання фази на землю і обриву фазних дротів без замикання на землю, визначення розміру і місць несанкціонованого відбору електроенергії.

Пропонується дворівнева комп'ютеризована інформаційно-вимірювальна система контролю і обліку ЕЕ (рис. 1).

Устаткування системи для отримання облікових даних від споживачів, приєднаних до однієї трансформаторної підстанції (ТП), складається з комунікаційного та абонентського устаткування.

На нижньому рівні комп'ютеризованої системи показані лінії розподілення ЕЕ, пристрої для збору інформації про величини струмів по точках обліку (лічильники ЕЕ і пристрої контролю струмів (ПКС), що належать до них. На цьому рівні реалізовані функції виміру, збору, обробки і передачі інформації на другий рівень.



Рис. 1. Структурна схема комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи контролю та обліку електроенергії

На другому рівні системи показаний диспетчерський пункт РЕМ з приймально-передавальним пристроєм, оскільки передача інформації від ПКС на цей пункт здійснюється через бездротову мережу. На другому рівні реалізовані функції комплексної обробки і аналізу даних, відображення, документування, ведення баз даних.

Усі розрахунки із обробки отримуваної інформації виконуються на диспетчерському пункті на сервері, що входить до його складу. В об'єм виконуваних розрахунків входять: розрахунок існуючих режимів роботи мережі, перевірка параметрів мережі, контроль стану ізоляції, визначення місць несанкціонованого відбору потужності, визначення місць однофазного замикання на землю.

На диспетчера покладається контроль за роботою системи і вжиття заходів із усунення анормальних режимів роботи мережі за результатами обробки інформації про струми в системі, що поступає. Диспетчерський пункт РЕМ має зв'язок з диспетчерським пунктом ППЕМ, куди диспетчер РЕМ зобов'язаний періодично доповідати про стан системи.

Алгоритм функціонування системи моніторингу РЕМ (рис. 2):

Рис. 2. Алгоритм функціонування системи моніторингу РЕМ

Центром управління робиться видача команд для опитування ПКС з метою визначення поточних значень струмів у лінії та у споживачів.

Робиться почергове опитування ПКС за схемою «запит-відповідь». Після перевірки отриманої інформації на достовірність вона передається в накопичувач, потім робиться опитування наступного ПКС. Паралельно здійснюється вимір струмів і обчислюється середнє значення струму за певний період часу.

У разі, якщо інформація з ПКС не була визначена, в пам'ять вводиться розраховане середнє значення струму, і опитування триває. Анормальні режими роботи мережі визначаються після збору і обробки інформації про розподіл струмів. Виникнення небалансу струмів свідчить про наявність позаштатного режиму мережі, тоді запускається алгоритм визначення місця його виникнення. У разі виникнення анормальних режимів роботи мережі диспетчер може здійснити відключення споживачів у разі розкрадань ЕЕ або обриву фази на землю і порушення ізоляції дротів. З серверу в накопичувач щодоби спрямовуються дані щодо роботи мережі.

Програмне забезпечення функціонування системи, що розробляється надалі, є білінговою системою розрахунку абонентів з РЕМ.

Для функціонування пропонованої інформаційно-вимірювальної системи здійснений вибір устаткування, показано, як здійснюється кодування ПКС і визначення довжини інформаційного рядка.

Пропонована система дозволяє повністю виключити незаконні підключення в обхід приладів обліку і автоматизувати знімання даних.

Усі функції розробленої системи контролю стану розподільної мережі в межах вузла споживання ЕЕ реалізовані на одних і тих же ПКС.

Вид анормального режиму може бути оцінений за величиною струмів небалансу. При НВЕЕ ці струми можуть досягати 5 - 40 А, а при обривах фазних дротів з падінням їх на землю струм небалансу зростає до величини струму замикання на землю, що і є ознакою виявлення цього анормального режиму роботи мережі.



Рис. 3. Функціональна схема комп'ютеризованої системи контролю та обліку електроенергії

Інформаційна частина системи реалізована на ПК диспетчерського пункту управління електричною мережею. Виміряні ПКС величини діючих значень струмів спочатку групуються в підмножини згідно з підсистемами контролю мережі: від пошкоджень ізоляції, від обривів фазних дротів і від НВЕЕ.

Селективність роботи тієї або іншої підсистеми в анормальному режимі роботи мережі визначається, виходячи з величини небалансу струмів, яка порівнюється з граничною величиною або уставкою. Остання, за результатами проведених розрахунків для розподільних електричних мереж напругою до 1000 В, була визначена на рівні 30 - 40 А.

За мірою оперативності подальших дій, що приймаються оперативно-ремонтним персоналом, пріоритет має бути відданий підсистемі контролю ізоляції і обривів фазних дротів, оскільки він пов'язаний з електробезпекою.

У третьому розділі розроблено структуру інформаційної частини і виконано моделювання енергетичної частини системи розподільної мережі, що розробляється, для визначення вимог із чутливості і швидкодії використовуваних пристроїв контролю струмів для створюваної системи, що дозволяє здійснювати моніторинг розподільної електромережі з метою розпізнавання нештатних або критичних станів.

Наводиться загальна характеристика об'єкту дослідження - розподільних мереж напругою до 1000 В.

З точки зору обробки інформації фрагменти мережі можуть розглядатися як типові елементарні фрагменти ТЕФ (рис. 4). У такому ТЕФ обов'язковими є пристрій на дроті фази на початку прольоту з живлячого боку лінії (ПКС першого рівня), і пристрій (1 або декілька) на дроті спуску з опори до споживача на тій же фазі (ПКС другого рівня). Така конфігурація властива фрагментам кінцевих ділянок мережі. На початкових і проміжних ділянках лінії в структуру ТЕФ входить ще один третій рівень ПКС, розташованих на дротах, що відходять від даної опори прольотів лінії. Пристрої третього рівня є портами зв'язку з іншими ТЕФ опор, наступними за ієрархією за даним фрагментом, і одночасно є пристроями першого рівня в цих ТЕФ.

Для визначення місць несанкціонованого підключення до мережі пропонується використати принцип подовжнього диференціально-струмового порівняння. Порівняння робиться між діючими значеннями струму, виміряними ПКС. Для цього визначається небаланс між струмом на початку прольоту з живлячого боку лінії (1 рівень) і сумою усіх інших струмів (2 і 3 рівні). Таким чином, інформаційна самодостатність ТЕФ опори визначає його незалежність (з точки зору послідовності обробки) в загальній структурі ТЕФ.

Рис. 4. Алгоритм обробки ПКС ТЕФ опор

У разі відсутності НВЕЕ струм небалансу не повинен перевищувати струм уставки. I_уст визначається виходячи з погрішності ПКС і відстройки від відсутності обліку зрушень векторів струмів, що заміряються в ТЕФ. На початкових ділянках лінії величина I_уст має бути мінімальною, а на кінцевих - максимальною. НВЕЕ викличе струм небалансу, пропорційний потужності НВЕЕ.

Усі фрагменти опор цієї лінії складають загальніший ТЕФ лінії. А всі фрагменти ліній одного РП - загальніший ТЕФ РП.

У зв'язку з можливістю комутацій електроприймачів цієї лінії в процесі опитування ПКС ТЕФ опори необхідно виконати повторне опитування його ПКС і порівняти результати обох опитувань. Тільки у разі підтвердження результату першого опитування може бути зроблена підсумкова фіксація результату опитування ТЕФ опори.

У разі відсутності НВЕЕ, обривів дротів або погіршення ізоляції ТЕФ опори не посилає ніяких сигналів на верхній рівень диспетчеризації. Якщо ж сталося одне з названих порушень, ТЕФ зобов'язаний оповістити про це диспетчера, а також послати йому для детальнішого розбору ситуації дані заміряних струмів ПКС з фрагмента, що «спрацював».

Розроблена математична модель і алгоритм розрахунку режимів роботи розподільних мереж (рис. 5). Як математична модель розподільної мережі прийнята її еквівалентна схема заміщення, побудована у фазній системі координат. Схема включає усі струмоведучі елементи мережі, трансформатор, що живить їх, і споживачів електроенергії.

Велика кількість вузлів і гілок схеми заміщення обумовлює необхідність опису її топології за допомогою спрямованого графа з фрагментацією останнього по окремих лініях шляхом розміщення їх інформації в окремих файлах. Для розрахунку параметрів режимів роботи розподільної мережі застосований метод вузлових потенціалів у векторно-матричній формі запису його рівнянь.

Ранжирування величин навантажень споживачів дозволяє виконати для досліджуваної мережі серію розрахунків, що відбивають статистичний характер навантажень споживачів, викликаних змінним графіком їх споживання в межах доби, пір року та ін.



Рис. 5. Блок-схема програми розрахунку режиму роботи електричної схеми розподільної мережі

Оцінка співвідношень струмів в НВЕЕ і дротах фази А лінії наведена в таблиці 1. Як видно з наведених у таблиці даних, має місце значна різниця в дольовій участі навантажень споживачів у різних частинах мережі.

Розрахунковим шляхом була дана оцінка струмів замикання фази на землю через великий опір. Це дозволило дати оцінку ще одній уставці ТЕФ, що дозволяє ввести розмежування між струмами замикання фази на землю і максимально можливою величиною струму НВЕЕ (I_НОmax) шляхом накидання на дріт лінії. Остання може бути прийнята рівною 20 - 40 А.

Таблиця 1. Дольова участь струмів НВЕЕ в струмах фаз

Прольоти ЛЕП	1 - 2	12 - 13	16 - 17
, А	96,2 - j 38,5	19,9 - j 9,53	4,4 - j 3,7
, А	103,6	22,1	5,7
, А	94,1 - j 35,35	18,0 - j 6,7	2,5 - j 0,9
, А	100,5	19,2	2,6
, А	2,2 - j 3,1	1,93 - j 2,8	1,9 - j 2,8
, А	3,8	3,4	3,38
	3,7	17,2	59,0
	3,0	13,0	54,3
Похибка, %	18,9	24,4	8,0

Отримані результати дозволили також визначити гранично допустимі величини струмів для розробки вимог із чутливості та оцінки похибки пристроїв контролю струму. На основі узагальнених результатів моделювання було встановлено, що оцінка похибки не перевищує 2,5 %.

На розробленій моделі РЕМ відпрацьовані різні режими функціонування мережі. Матриця чутливості щодо струмового навантаження має адресну прив'язку за опорною схемою і споживачами. В якості базової обрана матриця чутливості для штатного режиму, яка розглядається як модель і закладається в базу даних у систему контролю і управління режимами РЕМ.

Виконана оцінка чутливості пристрою контролю струмів, що розробляється.

На величину інформаційного сигналу на виході ПКС впливають такі параметри: число витків у вимірювальній обмотці w; величина проміжків у пермалоєвому сердечнику d (мм); величина вимірюваного струму в силовому дроті j (А). Оцінка кожного параметру робилася при збереженні постійності інших.

Використовуючи поняття повного диференціала, отримано загальну оцінку відхилення інформаційного сигналу:

.

Враховуючи, що основна похибка вноситься в ПКС ззовні, абсолютна похибка перетворення власне ПКС інформаційного сигналу склала du = 0,0142 В, що відповідає класу точності 2,5.

Виконана оцінка точності контролю величини струмів витоку. На струми витоку ізоляції впливають струми в лінії і напруга на введеннях споживачів:

Отримане значення di = 7,333*10-7 A свідчить, що величина струму витоку слабо залежить при цих параметрах ізоляції від зміни напруги і струму в лінії. Існуючі способи посилення сигналу (збільшення числа витків, наявність селективного підсилювача і застосування підсилювача напруги) роблять можливою обробку сигналів, що характеризують параметри системи, в ПКС при виділенні сигналу за допомогою підвищеної напруги, що дає можливість працювати з невеликими величинами.

У четвертому розділі розроблено пристрій контролю струмів, що дозволяє контролювати параметри мережі, визначати місця розкрадання ЕЕ, параметри струмів і напруги, що діють в мережі.

Існуючі пристрої контролю струмів мають такі недоліки: відсутність можливості автоматичного зчитування і обробки інформації і пов'язана з цим неможливість контролю режиму роботи мережі в реальному часі, оскільки потрібний одночасний вимір струмів на різних приєднаннях; складність доступу до намічених точок виміру; відсутність двостороннього зв'язку з центральним керуючим пристроєм.

Розроблений пристрій контролю струмів позбавлений недоліків, наявних у існуючих типів пристроїв для виміру величини струму, призначених для роботи в автоматизованих системах контролю режимів роботи розподільних електричних мереж. Схема ПКС передбачає можливість бездротової передачі даних на диспетчерський пункт або на ретранслятор з накопичувачем. Конструкція ПКС дозволяє легко його монтувати і демонтувати на дротах ліній електропередач. Пристрій контролю струмів забезпечує розрахунок струмів небалансу в реальному часі, визначення топології розподільної мережі і визначення навантажень споживачів.

Рис. 6. Спрощена структурна схема пристрою контролю струмів з приймально-передавальним пристроєм

На рис. 6 прийняті такі позначення: 1 - ярмо сердечника; 2 - U-подібний пермалоєвий сердечник роз'ємного магнітопроводу; 3 -обмотка живлення w1; 4 - інформаційна обмотка w2; 5 - силовий випрямляч; 6, 18 - приймально-передавальні антени; 7 - приймач ВЧ-сигналу від передавача пристрою управління на диспетчерському пункті; 8 - ключ включення живлення пристрою; 9 - випрямляч; 10 - вузли діагностики і адаптації з блоком вибору сигналу; 11 - АЦП; 12 - мікроконтролер; 13 - радіопередавач; 14 - підсилювач потужності ВЧ; 15 - приймач ВЧ-сигналу від ПКС; 16 - мікроконтролер з радіопередавачем; 17 - підсилювач потужності ВЧ, 19 - селективний підсилювач.

Провідник з вимірюваним струмом J охоплюється магнітопроводом, що складається з пермалоєвого U-подібного сердечника 2 і ярма 1. На сердечнику розташовуються дві обмотки, одна з яких w1 формує напругу живлення, що подається на вхід випрямляча 5. Ця напруга індукується магнітним потоком, що викликається струмом J. Друга обмотка w2 є вимірювальною. Випрямляч 5 забезпечує живлення усієї схеми пристрою напругою від 2,5 до 5 В. Напруга з виходу випрямляча 5 подається на входи блоків 9 ч 14, забезпечуючи їх роботу. Напруга з обмотки w2 подається на вхід випрямляча 9 з низькоомним входом, що необхідно для нормальної роботи ПКС. У пристроїі контролю струмів можуть бути використані будь-які вбудовувані мікроконтролери, АЦП, приймально-передавальні та інші ІМС з відповідними характеристиками.

Виконаний розрахунок первинного перетворювача ПКС з урахуванням втрат інформаційного сигналу за рахунок гістерезису, за рахунок вихрових струмів і на активному опорі обмоток. Виконана оцінка і вибір точнісних характеристик ПКС з точки зору теорії інформації. На рис. 7 наведені залежності значень інформації та ентропії від абсолютних похибок вимірюваної величини струму. Результуючий клас точності ПКС отриманий не гірше 2,5. Проведені його випробування в лабораторних умовах. Виконано адаптивне налаштування вимірювальної частини пристрою на діапазон вимірюваної напруги (струмів). Діагностика тракту перетворення аналогового сигналу на цифровий з подальшою передачею через радіоканал, підтверджує можливість сполучати ПКС з обчислювальною технікою.

Для захисту схеми пристрою контролю струмів від підвищеної напруги в ПКС передбачена установка стабілітрона типу 1N5524.

Рис. 7. Залежність інформації та ентропії від абсолютної похибки вимірювання струму

Рис. 8. Схема для поточного контролю ізоляції

Розроблений варіант застосування ПКС для контролю стану ізоляції. На рис. 8 показана схема вимірювального тракту ПКС для поточного контролю ізоляції на основі селективного підсилювача синусоїдальних струмів витоку. Схема працює таким чином. У мережу 220 В подається сигнал частотою 3500 Гц. Цей сигнал викликає спрацьовування підсилювача CП і ввімкненого на його виході електронного ключа SPRT5. Контакт 5 розмикає ланцюг сигналу 50 Гц, а сигнал частотою 3500 Гц поступає на вхід випрямляча. Коефіцієнт посилення селективного підсилювача CП (Ку=101), чотирикратна амплітудна напруга на виході випрямляча, рівень сигналу високої частоти і підбір числа витків обмотки w2 дозволяють забезпечити потрібний режим контролю витоку. Відключення сигналу високої частоти повертає схему в режим виміру струмів в мережі 220 В.

Розроблений пристрій має такі технічні характеристики: клас точності 2,5, швидкодія 0,1 мс, чутливість 0,1 А, робочий діапазон струмів 0-150 А, проведені випробування на 1000 В, робочий діапазон напруги 0-250 В, робочий діапазон температур - 70 - +130 ^оС, робочий частотний діапазон 40 - 60 Гц в нормальному режимі роботи і 3200 - 3500 Гц при перевірці ізоляції.

Впровадження ПКС істотно підвищує визначеність системи, знижуючи її ентропію за рахунок точнішого визначення струму.

Висновки

У дисертації вирішено актуальну науково-технічну задачу створення комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи контролю ізоляції та обліку несанкціонованого відбору електроенергії в розподільних електричних мережах на основі створеного пристрою контролю струмів, призначеного для безконтактного виміру струмів у мережі і бездротової передачі інформації про величину струмів на центральний пункт управління.

За результатами досліджень сформульовано такі висновки:

1. Проведений аналіз структур, принципів роботи і основних компонентів інформаційно-вимірювальних автоматизованих систем контролю та обліку електроенергії. Виявлені їх основні недоліки, на підставі яких сформульовані технічні вимоги до розробки структури комп'ютеризованої системи контролю стану розподільних мереж, що дозволяє контролювати стан ізоляції, виявляти несанкціоновані відбори електроенергії, однофазні замикання на землю, обриви фазних дротів і спрямованої на автоматизований контроль і облік електроенергії у кожного споживача. Визначені задачі дисертаційних досліджень, спрямовані на розробку цієї системи.

2. Уперше розроблено структурну схему комп'ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи контролю і обліку електроенергії для розподільних електричних мереж, що дозволяє, використовуючи одні і ті ж пристрої контролю струмів, реалізувати декілька функцій: здійснювати контроль стану ізоляції, повністю виключити незаконні підключення в обхід приладів обліку, автоматизувати знімання даних і визначати місця замикання фази на землю.

3. Встановлено, що своєчасне виявлення та усунення дефектів ізоляції до їх переростання в міжфазні і багатомісні замикання на землю дозволить запобігти виникненню електронебезпечних ситуацій і забезпечить безперебійне живлення споживачів електроенергією. Запропонована функціональна схема контролю стану ізоляції за допомогою додаткового високочастотного сигналу 2500 Гц, що вводиться в силову мережу, яка дозволяє в реальному часі виявляти струми витоку ізоляції, що не перевищують 8,5 мкА за допомогою частотно-залежного селективного підсилювача.

4. Розроблено математичну модель енергетичної частини системи у вигляді еквівалентної схеми заміщення мережі, побудованої у фазній системі координат. Схема включає усі струмоведучі елементи мережі, трансформатор, що живить їх, і споживачів електроенергії, що живляться від мережі. Розроблені алгоритм і програма розрахунку режимів роботи розподільних мереж, які дозволили оцінити чутливість розроблюваного пристрою контролю струмів, яка складає не більше 2,5 %.

5. Розроблений спосіб визначення місць розкрадання електроенергії в реальному часі без відключення окремих ділянок і споживачів, що грунтується на порівнянні діючих значень струмів на початку і кінці прольоту фазного дроту мережі за принципом подовжнього диференціально-струмового порівняння, що не вимагає обліку кутових зрушень векторів струму.

6. Результати моделювання перехідних режимів роботи розподільної мережі, пов'язаних з обривом фазних дротів, дозволили розробити алгоритм виявлення місць обриву дротів мережі за величиною струмів небалансу, які досягатимуть 100 А і більше.

7. Для визначення місць розкрадання електроенергії і захисту від однофазних коротких замикань на землю мережі з неізольованими дротами вперше розроблено пристрій контролю струмів, що складається з магнітопроводу, складеного з U-подібного сердечника з ярмом, що охоплює провідник із струмом, приймально-передавальної антени, приймача ВЧ-коливань, аналого-цифрового перетворювача, мікроконтролера з радіопередавачем, підсилювача ВЧ, і дозволяє безконтактно вимірювати величину струму, перетворювати їх на цифрову форму і передавати результат виміру через бездротову мережу.

8. Завдяки швидкодії 0,1 мс і чутливості 0,1 А розробленого пристрою контролю струмів, пристрій є багатофункціональним, дозволяє обробляти сигнали в місці їх виникнення, вимірювати струми витоку ізоляції, має властивості адаптації, діагностики, дозволяє здійснювати моніторинг мережі: контролювати обрив фази на землю, стан ізоляції, несанкціонований відбір електроенергії в реальному часі.

9. Результати теоретичних і експериментальних досліджень видані у вигляді рекомендацій РЕМ смт. Володарське для використання при розробці інформаційно-вимірювальної системи розподільної електромережі, впроваджені у навчальний процес кафедри «Автоматизація та комп'ютерні технології» ПДТУ при викладанні ряду дисциплін студентам, магістрантам і аспірантам, а також при виконанні НДР, що підтверджується відповідними актами.

комп'ютеризований електромережа струм контроль

Перелік опублікованих автором праць за темою дисертації

У спеціалізованих наукових фахових виданнях:

1. Добровольская Л.А. Структурная оптимизация поселковых распределительных электрических сетей напряжением 0,38 кВ / Л.А. Добровольская, Е.А. Черевко // Промислова електроенергетика та електротехніка: Інформаційний збірник. - К. - 2010. - № 4. - С. 41 - 44.

2. Добровольская Л.А. К вопросу автоматизированного контроля потерь электроэнергии в распределительных сетях 0.4 кВ / Л.А. Добровольская, Е.А. Черевко // Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб. наук. пр. - Маріуполь, 2009. - Випуск 19. - С. 227-230.

3. Черевко Е.А. Интеллектуальный датчик тока для автоматического контроля режимов работы поселковых распределительных электрических сетей / Е.А. Черевко, Л.А. Добровольская // Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки. - Маріуполь, 2011. - Випуск 2(23). - С. 259 - 264.

4. Зайцев В.С. К выбору способа определения места несанкционированного отбора электроэнергии / В.С. Зайцев, Л.А. Добровольская, Е.А. Черевко // Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки. - Маріуполь, 2012. - Випуск 2(25). - С. 232 - 239.

5. Черевко Е.А. Электронная система контроля распределительных сетей напряжением 0,4 кВ / Е.А. Черевко // Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». - Красноармійськ, 2015. - № 1 (28). - С. 222 - 230.

Доповіді на наукових конференціях:

6. Зайцев В.С. Разработка интеллектуального датчика тока для автоматического контроля режимов работы распределительных электрических сетей / В.С. Зайцев, Е.А. Черевко // Университетская наука-2012: Международная научно-техническая конференция, Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь, 24-26 апреля 2012 г. - Мариуполь: ГВУЗ «ПГТУ», 2012. - Т. I. - С. 321-322.

7. Зайцев В.С. Система автоматического контроля режимов работы низковольтных распределительных электрических сетей/ В.С. Зайцев, Е.А. Черевко // Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих: XIV Міжнародна науково-техн. конф., Донецький національний технічний університет, м. Донецк, 22-24 квітня 2014 р. - Донецьк: ДонНТУ, 2014. - С. 334- 336.

Патенти Украіны на винаходи і корисні моделі:

8. Пат. 47879 Україна, МПК G 02 J 13/00. Структурна схема визначення місць несанкціонованого підключення до лінії електропередачі / Л.О. Добровольська, О.О. Черевко; Державний вищий навчальний заклад «Приазовський державний технічний університет» (Україна). - № u200909592; заявл. 18.09.2009; опубл. Бюл. № 4 від 25.02.2010.

9. Пат. 102026 Україна, МПК H02J 13/00. Пристрій для автоматичного контролю режимів розподілу струмів в низьковольтних електричних мережах / В.С. Зайцев, О.О. Черевко, Л.О. Добровольська; Державний вищий навчальний заклад «Приазовський державний технічний університет» (Україна). - № a201201184; заявл. 06.02.2012; опубл. Бюл. № 10 від 27.05.2013.

10. Пат. 103252 Україна, МПК H02J 13/00. Пристрій для зчитування інформації з рухомих об'єктів / В.С. Зайцев, О.О. Черевко; Державний вищий навчальний заклад «Приазовський державний технічний університет» (Україна). // № a201201158; заявл. 06.02.2012; опубл. Бюл. № 18 від 25.09.2013.

Навчальний посібник з грифом:

11. Добровольська Л.О. Інформаційні системи в промисловості / Л.О. Добровольська, О.О. Черевко - Маріуполь: ДВНЗ «ПДТУ», 2014. - 236 с.

Особистий внесок здобувача в публікаціях: [1] - розробка структурної схеми визначення місць несанкціонованого підключення до ЛЕП; [2] - вибір електронних компонентів для схеми ПКС; [3] - рекомендації із оптимізації режимів роботи розподільних електричних мереж з метою зниження втрат електроенергії за рахунок керованої зміни структури цих мереж; [4] - розробка структурної схеми первинного перетворювача пристрою для зчитування інформації з рухомих об'єктів; [5, 10] - спосіб визначення місць несанкціонованого підключення до ЛЕП; [6] - розробка структурної схеми ПКС; [7] - розрахунок первинного перетворювача ПКС; [8] - алгоритм програми розрахунку режимів роботи розподільної мережі та моделювання обриву дроту фази і замикання фази на землю; [9] - розрахунок завадозахищеності ПКС, оцінка і вибір точнісних характеристик ПКС з точки зору теорії інформації.

Размещено на Allbest.ru

...