Исследование возможности применения искусственного интеллекта в релейной защите

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

Исследование возможности применения искусственного интеллекта в релейной защите

Валиуллин К.Р.

Лобанов В.А.

Электроэнергетическая система (ЭС) - совокупность электроэнергетических предприятий, устройств для производства, передачи и распределения электроэнергии и электроустановок потребителей. ЭС включает в себя электростанции, электрические сети, подстанции, линии электропередач и электроприемники. Важным и наименее надежным компонентом электроэнергетической системы являются линии электропередач (ЛЭП). Из-за их большой протяженности и влияния на них различных внешних факторов, большинство отказов в результате повреждений приходится именно на линии электропередач. Причинами аварии могут быть как природные условия, так и человеческий фактор, в том числе ошибки обслуживающего персонала.

Наиболее распространенным видом повреждений являются однофазные короткие замыкания на землю, составляющие более 60% от общего количества КЗ [1]. Возникновение аварийных режимов приводит к порче оборудования на предприятиях и перерыву в электроснабжении, который может привести к расстройствам технологического процесса и всегда сопровождается экономическим ущербом. Для предотвращения аварийных режимов и повышения надёжности электроснабжения применяется релейная защита и автоматика (РЗА). Помимо применения релейной защиты для сохранения питания потребителей система делится на участки с помощью выключателей.

Релейная защита включает в себя устройства, предназначенные для распознавания наличия неисправности в системе, подачи сигнала на отключение выключателя и обнаружения других видов ненормальных режимов работы.

Каждый участок обычно защищен двумя комплектами защит: основным и резервным.

Основной комплект защит обладает абсолютной селективностью и отключает участок только при возникновении на нем повреждений. Такой комплект вводится в работу для мгновенного срабатывания. Представителем такой защиты является дифференциально-фазная защита, дифференциальная защита линий, направленная высокочастотная защита и т.д.

Резервный комплект защит используется для резервирования основных защит и выключателей на собственной и смежных линиях в случае их отказа. Такой комплект срабатывает с выдержкой времени, чтобы дать возможность отработать основным защитам и не произошло неселективное отключение. Резервный комплект представлен комплектом ступенчатых защит, который обычно включает в себя дистанционную защиту, токовую защиту нулевой последовательности и максимальную фазную отсечку.

По отношению к РЗА предъявляются следующие требования:

1) Быстродействие. Показателем быстродействия является время срабатывания защиты - интервал времени от момента возникновения повреждения до момента отделения от сети поврежденного участка. Чем меньше будет этот интервал, тем меньший ущерб получат потребители.

Экономический ущерб зависит от время протекания тока КЗ (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость ущерба от времени протекания тока КЗ

Время протекания тока КЗ при котором экономический ущерб начинает существенно возрастать называется предельным временем отключения и определяется:

- запасом устойчивости синхронных машин (время до выпадения из синхронизма)

- термической стойкостью оборудования (время до разрушения элемента)

- технологическим процессом (время до расстройства технологического процесса)

2) Селективность (избирательность). При возникновении аварийного режима должен быть отключен только тот участок, на котором обнаружен ненормальный режим.

3) Чувствительность. РЗ должна обнаруживать аварийные режимы даже с самыми минимальными значениями аварийных параметров.

4) Надежность. Защита должна исправно функционировать в заданных условиях.

Основные направления улучшения характеристик релейной защиты, представлены в таблице 1.

Таблица 1 - способы улучшения показателей РЗА

Таким образом, из таблицы 1 можно сделать вывод о том, что совершенствование элементов РЗА осуществляется двумя основными способами - за счёт модификации её элементной базы и за счёт разработки новых алгоритмов работы.

Основные типы элементной базы РЗА представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Основные виды элементной базы реле

Электромеханические реле - наиболее распространенный вид электрических реле, в которых электрический сигнал вызывает механическое перемещение подвижных частей, что приводит к размыканию или замыканию исполнительных контактов. Наличие движущихся деталей снижает надежность. Контакты реле со временем подгорают и окисляются, теряют способность прижиматься друг к другу с подпружиниванием, как следствие, появляется переходное сопротивление или контакт вовсе исчезает. Электромеханические реле чувствительны к пыли и влаге. Существуют герметичные модели, но у них нет возможности для ревизии контактов.

На смену электромеханическим реле были разработаны реле, в которых применяются полупроводниковые материалы. В таких устройствах из механики имеется только контактная система. Все элементы находятся внутри неразборного закрытого корпуса и не предполагают какого-либо ремонта и обслуживания. Из достоинств следует отметить повышенную надежность, большой срок эксплуатации, быстродействие, возможность массового применения, работоспособность в любом положении и т.д. Главные недостатки таких реле - это высокая цена по сравнению с электромеханическими и сильная зависимость от температурного режима.

Наиболее современными являются микропроцессорные устройства релейной защиты. Основное преимущество таких защит - многофункциональность. Помимо реализации защиты оборудования, микропроцессорные терминалы производят замеры параметров сети и выводят их на цифровой экран. Кроме того, при использовании таких устройств отсутствует необходимость в установке дополнительных приборов измерения. Из этого можно выделить еще одно достоинство - компактность. Микропроцессорный терминал синхронизируется с системой SCADA, на которой отображается вся схема подстанции, значения электрических величин по каждому присоединению и позволяет диспетчерскому персоналу контролировать рабочий процесс, а также своевременно фиксировать возникшие аварийные ситуации. Основными недостатками микропроцессорных устройств являются высокая стоимость, узкий диапазон рабочих температур, неремонтопригодность и сбои в программном обеспечении.

Основные достоинства и недостатки используемых типов релейной защиты сведены в таблице 2.

Таблица 2 - Достоинства и недостатки современных РЗА

Из таблицы видно, что внедрение новых технологий и использование более современных материалов в устройствах релейной защиты приводит к повышению многофункциональности терминалов, надежности, быстродействию и точности, но в тоже время возникают существенные недостатки, такие как повышение цены, неремонтопригодность и возрастание требовательности к условиям эксплуатации.

Помимо совершенствования элементной базы релейной защиты, одним из перспективных направлений улучшения характеристик РЗ является совершенствование алгоритмов ее работы. Главным направлением которого выступает создание алгоритмов на базе искусственного интеллекта. Алгоритмы построенные на основе нейронных сетей имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными, работающими по строго заданным параметрам. Нейронные сети позволяют учитывать предшествующее состояние системы, самообучаться, проводить самонастройку и адаптироваться под различные режимы работы. Помимо этого использование алгоритмов на основе нейронных сетей полностью удовлетворяет стандарту МЭК-61850, что немаловажно в вопросе актуальности.

В научном мире не так много исследований и статей, посвященных разработке защиты, работающей на основе искусственного интеллекта. Как правило, в существующих работах рассматривается создание защиты дистанционного типа на базе нейронной сети или нечеткой логики, или их комбинации. В работе [2] реализована дистанционная защита с использованием нейронной сети прямого распространения. Результатом исследования стало создание нейронной сети, успешно отключающей сеть при повреждениях в зонах ее действия. Однако возникновение на участках сразу нескольких повреждений приводило к ложным срабатываниям защиты или вовсе ее нечувствительности.

В статье [3] была предложена система на базе искусственного интеллекта также для дистанционного принципа защиты линий. Представленная система ИИ демонстрирует способность успешно решать поставленные задачи релейной защиты. Но наблюдается существенная погрешность определения аварийных режимов нейронной сетью для различных переходных сопротивлений, времени и типа замыканий (>8%).

В работе [4] представлена нейронная сеть в основе работы дистанционной защиты. В статье приведено сравнение алгоритма работы созданной нейронной сети и алгоритма Фурье. Из сравнения видно, что алгоритм на основе нейронной сети обеспечивает лучшую производительность и меньшее время отключения повреждения вне зависимости от длины линии электропередач напряжением до 345 кВ. Тем не менее, алгоритм Фурье является более точным, чем алгоритм на основе нейронной сети для случаев, когда уровень напряжения линий превышает 345 кВ. Авторы отмечают следующие причины этого явления:

1) Наличие в высоковольтных линиях эффекта бегущих волн;

2) Использование для обучения моделей первого порядка

Проблема защиты трансформаторов освещена в работе [5] В этой статье предложен алгоритм дифференциальной защиты трансформатора с использованием нейронной сети, реализован метод гармонического ограничения на основе дискретного преобразования с преобразованием Фурье. Основной задачей исследования являлось решение проблемы распознавания внутренних повреждений трансформаторов и токов высших гармоник, токов намагничивания. Предложенный алгоритм основан на методике идентификации формы волны, которая является более точной, чем традиционная методика, основанная на гармонических ограничениях, особенно в случае современных силовых трансформаторов, обладающих сердечниками из материалов с улучшенными магнитными свойствами. В этих условиях, стандартные методы идентификации гармоник могут приводить к ошибке из-за того, что при внутренних повреждениях увеличивается амплитуда второй гармоники тока, в то время как при броске тока намагничивания вторая гармоника отсутствует или проявляется слабо. Решить эту проблему возможно с использованием метода ограничения гармоник или метода симметричных составляющих, но их применение требует большего количества времени. Предложенный авторами статьи оптимизированный метод прост по архитектуре, быстр в работе и надежен. Из-за присутствия второй гармоники во время внутренней неисправности, цифровому реле понадобится больше времени для принятия решения об отключении (один цикл или более одного цикла). Алгоритм, основанный на нейронной сети, способен обнаруживать такую неисправность за 6 мс (половина цикла). короткий замыкание релейный защита

В статье [6] также рассмотрен вопрос использования нейронных сетей в дистанционной защите. В работе представлен алгоритм работы нейронной сети, при работе на одной из фаз питающей сети. Использован фильтр для устранения шумов. Но все испытания проводились только при коротких замыканиях на землю. Случаи трехфазных коротких замыканий требуют более подробного рассмотрения.

Как видно из проведенного анализа, несмотря на то, что применение искусственных нейронных сетей в релейной защите показывает хорошие результаты, данный вопрос в научной литературе проработан не в полном объеме, и исследования, посвященные использованию ИНС в устройствах РЗА, являются актуальными.

Список литературы

1 Папков, Б. В. Электроэнергетические системы и сети. Токи короткого замыкания : учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры / Б. В. Папков, В. Ю. Вуколов. - 3-е изд., испр. и доп. - М. : Издательство Юрайт, 2017. -- 353 с. -- (Серия : Бакалавр и магистр. Академический курс). -- ISBN 978-5-9916-8148-3.

2 Rezaei N., Haghifam M. R. Protection scheme for a distribution system with distributed generation using neural networks / International Journal of Electrical Power & Energy Systems. - 2008. - Т. 30. - №. 4. - С. 235-241

3 Tamer S. Kamel, M.A. Moustafa Hassan, Ahdab El-Morshedy Применение систем искусственного интеллекта в дистанционной защите линии электропередачи // Международная научно-техническая конференция. - 2009. С. 30-37.

4 Ricardo Caneloi dos Santos a, Eduardo Cesar Senger Transmission lines distance protection using artificial neural networks // International Journal Electrical Power and Energy Systems. - 2011. С. 721-730

5 Deacha Puangdownreong Power Transformer Differential Protection Based on Neural Network Principal Component Analysis, Harmonic Restraint and Park's Plots // Hindawi Publishing Corporation Advances in Artificial Intelligence - 2012. С. 1-9.

6 Gaganpreet Chawla, Mohinder S. Sachdev, G. Ramakrishna DESIGN, IMPLEMENTATION AND TESTING OF AN ARTIFICIAL NEURAL NETWORK BASED ADMITTANCE RELAY// Symposium on Power Plants and Power Systems Control - 2008. С. 125-130

Размещено на Allbest.ru