Цифровизация в электроэнергетике: эксплуатация и оперативное управление электрическими сетями

Вопросы цифровизации в энергетике для эксплуатации и оперативного управления электрическими сетями не должны сводиться к преобразованию всех технологических параметров в цифровую форму. Эти мероприятия по цифровизации должны снижать трудоемкость и давать экономический эффект. Телемеханизация коммутационного и другого электрооборудования должна выступать как важнейшая часть системы интернета вещей. Это должно в корне менять экономические и другие аспекты жизни нашей цивилизации. Сформулированы принципы цифровизации и интеграции с интернетом вещей для задач управления электросетями, показано, что выделение событий и интеллектуальная обработка информации являются необходимыми условиями цифровизации в электроэнергетике. Рассмотрен пример решения задачи анализа нештатных ситуаций, цифровизованная программная система способна быстро выдавать советы для диспетчерского и оперативного персонала. Изложена методика комплексной диагностики элегазового электрооборудования.

Актуальность цифровой трансформации в электроэнергетике

Задача цифровизации (цифровой трансформации) энергетики сейчас необычайно актуальна. К сожалению, несмотря на прилагаемые усилия специалистов, еще нет общепринятой формулировки этого понятия, нет «рецептов», позволяющих спланировать действия по цифровизации в электроэнергетике, оценить предполагаемый эффект этих действий. Очевидно, что цифровизация в современных условиях тесно связана с развитием интернета вещей и искусственного интеллекта, но требуемый характер этой связи также не полностью ясен.

Сформулируем некоторые общие принципы цифровизации для задач управления электросетями. Цифровая трансформация в электроэнергетике не должна сводиться к простому преобразованию всех технологических параметров в цифровую форму. Это преобразование должно порождать концептуально новые задачи, решение которых дает существенный экономический эффект. Следует стремиться к максимальному (в разумных пределах) «оживлению» (телемеханизации) единиц оборудования, которые должны выступать как элементы интернета вещей.

Сформулированы принципы цифровизации и интеграции с интернетом вещей для задач управления электросетями, показано, что выделение событий и интеллектуальная обработка информации являются необходимыми условиями цифровизации в электроэнергетике. Рассмотрен пример решения задачи анализа нештатных ситуаций, цифровизованная программная система способна быстро выдавать советы для диспетчерского и оперативного персонала.

Общие принципы

1. Цифровизация в электроэнергетике не должна сводиться к простому преобразованию всех технологических параметров в цифровую форму. Это преобразование должно порождать концептуально новые задачи, решение которых дает существенный экономический эффект.
2. Следует стремиться к максимальному (в разумных пределах) «оживлению» (телемеханизации) единиц оборудования, которые должны выступать как элементы интернета вещей.
3. Передача данных в цифровых системах должна быть организована на двух уровнях подробный уровень (относительно редкая передача), экспресс-уровень (частая передача). Для подробного уровня передаче подлежат все технологически значимые параметры (процессы), образуя цифровую имитационную модель объекта управления. Для экспресс-уровня передается только новая семантически значимая информация в виде информации о событиях.
4. Выделение событий из процессов — результат интеллектуальной обработки.

Таким образом, раскрывается смысл выражения «интеллектуальная связь» элементов цифровых систем.

Смысл сказанного поясняют структуры, изображенные на рисунке 1.

Выделение событий

Для цифровизации в энергетике из процессов нужно выделить события. Во многих случаях такое выделение элементарно. Это относится к изменению состояния оборудования и его элементов. В частности, это относится и к событиям изменения положения коммутационных аппаратов, к событиям срабатывания устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА).

В более сложных случаях состояния — некоторая (часто — предикативная) функция процесса изменения какого-либо параметра. Например, «нарушение предела» (эта функция обычно имеется в арсенале ЗСАОА-систем). Могут быть и другие предикаты. Следует отметить, что, например, определение пределов режимных параметров может потребовать интеллектуальной обработки (как при проработке ремонтных заявок).

В ряде случаев событие может быть связано с результатами осмотров (или испытаний) оборудования (например, «течь масла»).

Интеллектуальная обработка событий

Эта обработка связана с решением необходимых в данном конкретном приложении задач. Обрабатывается, в основном, информация о событиях и состояниях. Для интеллектуальной обработки целесообразно использовать экспертные системы, которые, в свою очередь, нуждаются в задании системы правил. Электроэнергетика — технологически сложная отрасль, поэтому для задания (и коррекции) правил здесь следует выбирать такие экспертные системы, которые обеспечивают простое задание правил, формируемых на основе эксплуатационного опыта соответствующих специалистов-экспертов. Предпочтение следует отдать системам, использующим для формулирования правил естественный язык специалистов. В качестве одной из возможностей рекомендуется использование инструментальной экспертной системы МИМИР, ориентированной на задачи электроэнергетики.

Здесь можно отметить, что в существующих и создаваемых цифровых системах и в системах, использующих интернет вещей, интеллектуальной обработке уделяется недостаточное внимание. Это связано с относительно простыми областями применения «пионерских» систем такого типа. В самом деле, придумать правила для кофеварки (частый пример для «умного дома» в популярной литературе) может любой. А для формулирования правил решения электроэнергетических задач требуются высококвалифицированные специалисты, обладающие значительным эксплуатационным опытом. При этом перенос этого опыта в правила экспертной системы — отдельная большая проблема.

Интернет вещей — это совокупность интеллектуальных устройств, способствующих повышению эффективности производства и улучшению качества жизни. Концепция «связанных вещей» применима в любой сфере, где есть потребность управлять совокупным множеством объектов или хотя бы видеть, как эти объекты между собой взаимосвязаны.

Это управление многослойно. Нижний уровень — это аппаратура, позволяющая снять информацию с объектов: датчики, сенсоры, контроллеры. Средний — узлы и системы передачи данных. Верхний — условно говоря, цифровая платформа, куда поступают данные и где происходит их обработка, принимаются и исполняются решения.

Правила экспертной системы «пакуются» в блоки (интеллектуальные агенты). Результатом решения задачи может быть формирование сообщений (подсказок) для пользователей, формирование новых событий, инициирование новых интеллектуальных агентов.

Экспертные системы могут эффективно применяться в практически важных задачах интеллектуальных сетей энергетических предприятий:

• планировании ремонтов и оперативной режимной проработке ремонтных заявок;
• анализе нештатных ситуаций в электросетях (рисунок 2);
• восстановлении электрических сетей после сбоев.

Далее будет более подробно рассмотрено применение изложенных методов цифровизации в электроэнергетике для двух важных задач управления в электрических сетях: анализ нештатных ситуаций и поиск повреждений в разветвленных электрических сетях.

Для первой из этих задач будет рассмотрено формулирование естественно-языковых правил, а для второй — связь с интернетом вещей.

Анализ нештатных ситуаций

Правила, на основе которых функционирует экспертная система анализа нештатных ситуаций, определяются логикой работы РЗА. Например, если зафиксировано срабатывание защиты линии электропередачи. экспертная система определяет, на отключение каких выключателей действует эта защита. все ли ранее включенные выключатели из этого множества отключились. Для не отключившихся выключателей фиксируется событие «отказ выключателя» и проверяется, было ли срабатывание УРОВ (устройства резервирования отказа выключателя) этого выключателя и т.п.

С помощью специальных интеллектуальных программ (программ-рассуждений) и на основе технологических инструкций можно формировать тексты советов по действиям диспетчерского и оперативного персонала, необходимым в определенных ситуациях (и, прежде всего, в аварийных и предаварийных ситуациях) (рисунки 3 и 4).

Интеллектуальная обработка информации производится на основе состояний оборудования (например, положениях выключателей) и событиях — срабатываниях РЗА.

Для сложных режимов энергосистем и схем электрических подстанций может применяться моделирование с использованием концепции цифрового двойника.

Цифровой двойник — это новое слово в моделировании и планировании производства — единая модель, достоверно описывающая все процессы и взаимосвязи как на отдельном объекте, так и в рамках целого производственного актива в виде виртуальных установок и имитационных моделей. Таким образом, при цифровой трансформации в энергетике создается виртуальная копия физического мира.

При срабатывании защит трансформаторов необходимо определить, имеются ли дефектные выключатели и какой тип дефекта (отказ, затяжка) имеет место (не отключившиеся выключатели перед опробованием погашенных шин напряжением нужно отключить, «разобрав» их схему разъединителями с нарушением блокировки, а для «затянувших» выключателей схема разбирается после опробования шин). Факт затяжки может быть логически установлен в рассуждении — У РОВ дефектного выключателя срабатывает до его отключения (рисунок 4).

Поиск повреждений в разветвленных электрических сетях

Важнейшая задача — поиск и ликвидация повреждений в работе распределенных разветвленных электрических сетей 0.38-110 кВ с воздушными ЛЭП. От ее успешного и быстрого решения с помощью цифровизации в электроэнергетике существенно зависит технологическая и экономическая эффективность работы сетевого предприятия.

Традиционный метод решения связан с процессом итеративных (последовательных) коммутаций разъединителей и осмотром участков сети. При этом необходимо сочетать топологическую задачу обнаружения поврежденного участка с логистической задачей организации перемещений ремонтных бригад. Построение экспертной системы для этого традиционного метода изложено в многочисленных исследованиях.

Рассмотрим использование для этой задачи технологии интернета вещей.

Прежде всего, необходимо «оживить» разъединители, обеспечив телесигнализацию их положений Далее, нужно предусмотреть установку указателей поврежденного участка (УПУ) не только в местах разветвления, но и для каждого участка разветвленной сети. Так как УПУ фиксирует прохождение по участку тока короткого замыкания в момент повреждения, то передача событий типа «срабатывание УПУ» в центр обработки данных позволяет сразу, без итераций, определить поврежденный участок сети.

Указатели, снабженные телесигналами, выпускаются отечественной промышленностью. Быть может, при таком подходе целесообразно конструктивно совмещать указатели не с опорами ЛЭП, как это обычно делают, а с разъединителями, ограничивающими участки сети. Логические правила определения поврежденного участка по сигналам разъединителей и указателей элементарны (не сложнее «правил кофеварки»).

Определив поврежденный участок, следует его изолировать (отключить разъединителями), осмотреть, выявить место повреждения, устранить повреждение. Для этого нужны люди — ремонтные бригады (телеуправление разъединителями в распределительных сетях не предусматривается по экономическим соображениям).

Отключение линии ЛЭП 220 кВ с нерасчищенной древесно-кустарниковой растительностью (ДКР) может произойти из-за перекрытия воздушных промежутков между токоведущими частями ЛЭП и верхушками ДКР (рисунок 5).

Следует определить, какую ремонтную бригаду вызвать (если их несколько). Это должна быть ближайшая к месту повреждения свободная ремонтная бригада. Наконец, следует определить оптимальный путь ремонтной бригады. Организуется автоматический вызов ремонтной бригады, определяется ее маршрут. Здесь задача подобна «уберизации» в известных реализациях интернета вещей.

Уберизация — термин, производный от названия компании Uber. Компания разработала мобильное приложение, которое позволяет потребителям подавать запросы на поездки, которые затем переадресуются водителям компании.

Основа данных здесь — географические карты, к которым привязаны дороги и координаты элементов электрической сети (опор, разъединителей). Применение программ типа «Навигатор» даст необходимое решение.

Очевиден эффект от изложенного подхода в цифровизации электроэнергетики. Время поиска повреждения сократится, по некоторым данным, на 90% процентов по сравнению с традиционным методом. Соответственно сократится недоотпуск электроэнергии из-за аварий в распределительных сетях.

Расходы на телесигнализацию положения разъединителей в распределительных сетях и на установку УПУ с телесигнализацией представляются относительно небольшими.

Повреждение элегазового токопровода КРУЭ-500 кВ

В результате повреждения (расплавления) дефектного контактного соединения в токопроводе КРУЭ 500 кВ и загрязнения продуктами расплавления поверхности проходного изолятора токопровода произошло перекрытие изолятора на заземленный корпус токопровода со сквозным прогаром компенсатора кожуха токопровода и выходом элегаза и продуктов его разложения наружу в трансформаторную камеру.

Полностью сгорели (расплавились) неподвижный и подвижный скользящий контакты двух последовательно соединенных элементов вертикального участка токопровода внутри камеры трансформатора, поврежден проходной изолятор токопровода, в нескольких местах прогорел компенсатор кожуха токопровода. Весь объем токопровода, внутри которого произошло КЗ, загрязнен продуктами разложения элегаза, газовый фильтр приведен в нерабочее состояние, газовый плотномер данного объема поврежден (рисунок 6).

Повреждение токопровода 500 кВ произошло вследствие ошибки при подготовке исходных данных, допущенной заводом-изготовителем. При монтаже в токоведущую шину не была установлена специальная вставка размером 20 мм. Из-за этого смонтированная центральная часть токопровода оказалась на 20 мм короче требуемого размера, скользящие контакты внешнего электрода контактного соединения оказались смещенными относительно своего нормального рабочего положения в торцевую закругленную часть внутреннего неподвижного электрода.

Недостаточное контактное нажатие в этом месте привело к появлению большого переходного сопротивления и выделению большого количества тепла при прохождении тока нагрузки, что, в свою очередь, привело к расплавлению контакта, падению продуктов расплавления на нижераслоложенный проходной изолятор, его перекрытию и возникновению КЗ в токопроводе. Описанный дефект выявлен также на токолроводах остальных фаз АТ-1 и токопроводах всех трех фаз соседних АТ-3 и АТ-4.

Причины дефектов и повреждений электрооборудования с элегазовой изоляцией

Основными причины дефектов и повреждений электрооборудования с элегазовой изоляцией являются:

• низкая механическая прочность элементов и сочленений, приводящая к разрушению внутренних элементов конструкции при транспортировке;
• применение материалов, не обладающих требуемой коррозионной стойкостью;
• низкое качество элегаза (повышенная влажность, появление продуктов разложения элегаза);
• ненадежное крепление защитных колпаков на мембранных устройствах;
• дефекты монтажа;
• низкое качество сервисного обслуживания.

На рисунке 7 приведены основные методы комплексной диагностики измерительных трансформаторов с элегазовой изоляцией.

Это тепловизионное обследование, измерение акустической активности частичных разрядов (ЧР) в изоляции трансформаторов и анализ качества элегаза различными методами.

Данная методика нуждается в цифровизации и автоматизации в электроэнергетике с применением экспертных систем с элементами искусственного интеллекта.

Результаты проведенного комплексного обследования показали, что основными причинами отказа трансформаторов являются:

• низкое качество элегаза;
• конструктивные недостатки трансформаторов;
• отсутствие поглотителей для адсорбции влаги и продуктов разложения элегаза;
• применение некоррозионностойких материалов для изготовления трансформаторов;
• низкое качество сервисного обслуживания.

Результаты тепловизионного обследования элегазовых трансформаторов тока показаны на рисунке 8.

Качество элегаза должно соответствовать нормативам, указанным в РД 16 066-05 «Элегазовое электротехническое оборудование, требования к производству и обеспечению качества элегаза в оборудовании».

Выводы

1. Сформулированы некоторые принципы цифровизации в электроэнергетике и интеграции с интернетом вещей для задач управления электросетями.
2. Показано, что выделение событий и интеллектуальная обработка информации являются необходимыми условиями цифровизации в электроэнергетике.
3. Приводится пример решения задачи анализа нештатных ситуаций: цифровизованная программная система способна быстро выдавать советы для диспетчерского и оперативного персонала.
4. Для важной задачи организации поиска повреждений в разветвленных потребительских сетях ЛЭП предложен экономичный способ резкого сокращения времени поиска неисправности благодаря применению цифровых технологий в электроэнергетике.
5. Изложена методика комплексной диагностики элегазового электрооборудования, которая нуждается в цифровизации и автоматизации с применением экспертных систем с элементами искусственного интеллекта, приведены примеры повреждения в токопроводе КРУЭ 500 кВ и результаты тепловизионного обследования элегазовых трансформаторов тока.

Оригинал статьи: Цифровизация в электроэнергетике: эксплуатация и оперативное управление электрическими сетями