Заболотный И.П., Сазонов В.В.
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Контактная информация:Донецкий национальный технический университет, ЭЮМ ivр@еlf.dgtu.dоnеtsk. uа
This paper contains exposition of the new concept of the automized analysis of damages on the basis of on-line handling of transient processes called(caused) by damages and changes of a communication chart of inventory of an electrical system and a state information of cutout switches, devices of a relay guard and automatian. The embodying of the сoncept allows to evaluate operation of devices of a relay guard and automations, of cutout switches and to assort aberrations frorn normal operation with a localization of faults immediately after an abnormal situation.
Введение
Развитие новых технологий типа интеллектуальных систем и осуществление синхронизированной выборки аналоговой и дискретной информации, увеличение сервиса программного обеспечения создает условия для создания новых систем анализа повреждений.
Предшествующие походы автоматизации анализа повреждений были связаны либо с фиксирующими приборами [1–2] и др., либо с системой сбора данных (SCАDА система) [3], либо с цифровыми регистраторами аварийных ситуаций. В последнее время для анализа аварийных ситуаций разрабатываются экспертные системы, построенные на нейронных сетях [4–6].
SCАDА системы не имели возможности вычислить место повреждения, обработка аналоговых сигналов информации не делалась из-за недостаточности их дискретного представления.
Фиксирующие приборы и цифровые регистраторы обеспечивают определение места повреждения по параметрам аварийного режима на линиях электропередачи. Представление аналоговой информации в цифровом виде с дальнейшей обработкой позволяет, при отсутствии ошибочных замеров, достаточно точно определить вид короткого замыкания на линии электропередачи, т.е. простого повреждения. Использование статической модели линии в цифровых регистраторах влияет на точность определения места короткого замыкания в реальных режимах работы сети. Следует отметить, что определение вида короткого замыкания и места повреждения на линиях осуществляется через некоторое время после возникновения аварийной ситуации.
В [5–6] и др. рассматривается использование нейронных сетей (NN) для анализа и управления аварийной ситуацией с возможностью получения решения в темпе процесса. Но, как отмечается в [7], неотъемлемым свойством ряда NN систем является восприимчивость к так называемым корреляционным помехам. Суть этого свойства состоит в том, что после оптимизационной настройки и тренировки при введении в один из сигналов возмущения, следовало бы ожидать, что этот «испорченный» сигнал будет вызывать тревогу, однако всякий раз множество других бездефектных сигналов вызывают ложную тревогу.
На основании анализа ряда работ отечественных и зарубежных авторов можно классифицировать разработки по следующим признакам:
1. По цели: управление аварийными режимами в темпе процесса (экспертные системы, построенные на нейронных сетях), анализ ситуации непосредственно после ненормальной ситуации.
2. По используемому объему информации: детальное описание ситуации на основании значительного объема информации; наборов ситуаций, описываемых упрощенно в виде причинно-следственных зависимостей.
3. По видам сигналов: аналоговые с представлением в цифровой форме и последующей обработкой (цифровые регистраторы); дискретные сигналы телемеханики и других устройств с использованием баз знаний [8–9].
4. По глубине анализа и совокупности объектов: на основе простых логических зависимостей для отдельных объектов, в первую очередь линий электропередачи, на основе сочетания логических зависимостей и моделирования режимов, как для отдельных объектов, так и для электрической сети.
1 Общая характеристика экспертной системы
Целью экспертной системы является анализ аварийных ситуаций, формирование отчета в течение нескольких минут после аварии для инженеров служб релейной защиты и ОДС. Обобщенное сообщение оперативному персоналу содержит информацию о поврежденном элементе, правильно и неправильно подействовавших и отказавших устройств релейной защиты и автоматики, а также выключателей.
Получив соответствующую информацию, персонал может принять меры к оперативному устранению выявленных неисправностей: исключить из схемы отказавший выключатель, вывести в проверку отказавшие или неправильно подействовавшие устройства РЗ и автоматики.
Экспертная система предназначена для работы в составе автоматизированной системы оперативного управления локальными объектами электроэнергетической системы [10], что обеспечивает ее функционирование на единой информационной модели объекта управления и интеграцию с другими технологическими задачами. В упрощенном виде экспертная система может быть реализована в цифровых регистраторах.
В настоящей работе использован разработанный в [8–9] метод формирования части базы знаний для моделирования работы релейной защиты.
Реализация экспертной системы (централизованного типа) с помощью автоматизированной системы управления на основе интегрированного сбора необработанной информации от различных контролируемых объектов в пункте управления может быть неосуществима, даже в том случае, когда регистрируется необходимый объем информации, так как не всегда можно осуществить передачу необходимой информации и синхронизацию информации. Однако некоторые решения по автоматизации анализа повреждений могут быть осуществлены на основе существующих технологий управления (рис. 1) с помощью экспертной системы комбинированного типа (иерархическая структура).
Рисунок 1 – Cтрyктурная схема анализа повреждений
На подстанции имеется цифровой регистратор, который собирает данные от различных устройств по присоединениям, включая отходящие линии, и анализирует эти данные локально. Результаты анализа также как и необработанные данные передаются на центральный сервер в пункт управления в общем формате CОMTRАDЕ, в том числе и по телефонным линиям связи.
На крупных подстанциях данные от регистраторов, устройств телемеханики передаются в ПЭВМ, установленную на подстанции, где обрабатываются с помощью автоматизированной системы управления, программное обеспечение которого включает также подпрограммы анализа аварийных ситуаций в электрической сети. ПЭВМ на подстанции устанавливает связь с локальной вычислительной сетью пункта управления, передает обработанные и необработанные данные, которые распределяются узлом «Координатор» по узлам локальной вычислительной сети для выполнения технологических задач, а также сохраняются в базе данных [10].
Соответствующая подпрограмма узла «Экспертная система» автоматически классифицирует и фильтрует отчеты на основе ряда критериев типа: условие повреждения существует, и время отключения короткого замыкания удовлетворительно; условие повреждения существует, и время отключения короткого замыкания дольше, чем ожидаемое и т.д., обрабатывает оставшуюся необработанной информацию, уточняет принятые решения, т.е. выполняет обширный анализ. Например, в случае, когда только имеются токи в двух фазах, ток в третье фазе будет рассчитан автоматически.
Возможности регистраторов позволяют обрабатывать полученную при аварии информацию и составлять сообщение не в форме отдельных сигналов, а в виде отчетов описания аварийных ситуаций. Для этого требуется завести в цифровой регистратор дискретные и аналоговые сигналы: действие выходных реле основных и резервных защит; контакты блок - шайб или реле, указывающих включённое или отключённое состояние выключателей; выходных реле автоматики; реле блокировки от многократных включений (РБМ), срабатывающего только при получении электрического отключающего импульса; реле фиксации отключения выключателя (ФОВ); реле фиксации отключения воздушной линии электропередачи (ФОЛ ВЛ) и т.д.: токи в фазах, напряжения фаз, ток в нуле и напряжение на разомкнутом треугольнике.
База знаний экспертной системы состоит из базы знаний, основанных на «поверхностных» и «глубоких» знаниях. В первых, используются правила, реализующие описания состояния объекта в различных ненормальных ситуациях.
«Глубокие» знания описывают принципы действия устройств РЗА, принципы координации защит, уставки срабатывания, коэффициенты чувствительности, зоны действия, описания работы релейной защиты, в том числе и при наличии отказов и ложных срабатываний, самопроизвольных отключений выключателей и т.д. Эта часть базы знаний используется для моделирования работы релейной защиты в условиях анализируемого повреждения. Ниже, для примера, приводится содержание одного правила:
– «если существует защита Х типа Y и эта защита сработала, а также существует некий выключатель Z, причем Х воздействует на его отключение, выключатель Z исправен и находится во включенном состоянии, то выключатель Z отключается».
При формулировании правила с помощью алгебры логики использовались понятия и отношения: Q(Х) – выключатель Х; О(Х) – устройство Х сработало; Т(Х) – Х- отключен; Т1(Х) –Х – включен; I(Х) – устройство Х исправно; R(Х,Y) – защита Х типа Y; Т(X,Z) –защита Х воздействует на выключатель Z.
С учетом обозначенных понятий отношений, правило в стандартной форме логики предикатов имеет вид:
где – R, О, Q, S, Т, Т, I – предикатные символы; x, у, z –переменные. Следует подчеркнуть, что база знаний используется в автоматизированной системе управления локальными объектами электроэнергетической системы [10]. Если будет установлено «R(х,у), О(Х), Q(х), Т(x,z), Т1(Х), I(Х)», то значит имеем «Т(z)». При использовании вне процедурной технологии программирования [11] будет получено новое значение одного из управляющих параметров объекта, что вызовет, в рассматриваемом случае модификацию графического образа выключателя Z.
В состав компонент интерфейса пользователя включен редактор характеристик РЗ, позволяющий задавать характеристики РЗ, в частности, либо изображать зоны срабатывания РЗ в виде ограничивающих линий или фигур на плоскости, или объединять выключатели в совокупности компонент. Для формирования правил используется построитель логических выражений.
2 Характеристика концепции экспертной системы анализа аварийной ситуации в электрической системе
Новизна концепции построения экспертной системы состоит в реализации следующих положений:
1. Определение поврежденного оборудования на основании обработки как аналоговых, так и дискретных сигналов. Использование относительных критериев для определения повреждения на основе аналоговых сигналов, что позволяет упростить систему их регистрации и обработки, использовать экспертную систему для различных объектов электрической системы с возможностью определения и сложных повреждений.
2. Описание ситуации участка сети с поврежденным объектом в виде причинно-следственных зависимостей, связывающих дискретные сигналы.
3. Определения расстояния до места повреждения на линии путем решения оптимизационной задачи при использовании динамической модели, адаптированной к реальной ситуации, что позволяет даже при регистрации токов не во всех фазах, обеспечить возможность решения задач по оценке остаточного ресурса выключателей.
4. Адаптацией программного обеспечения экспертной системы к набору регистрируемых параметров, формирование отчетов различной глубины обработки: обобщение дискретных сигналов с помощью логических функций, выдачи расширенного заключения о ситуации на основе «поверхностных знаний», выдачи заключения на основании как поверхностных, так и глубоких знаниях базы знаний.
Концепция базируется на следующих сформулированных аксиомах:
1. Проверяется изменение амплитуд тока и напряжения в составляющей 50 Гц. Уменьшение напряжения и увеличение фазных токов по сравнению с исходными значениями без изменения нагрузки предполагает повреждение фазы (фаз).
2. Отсутствие остаточного тока и напряжения на разомкнутом треугольнике позволяет определить повреждения типа междуфазного повреждения, не связанного с повреждением на землю, т.е. повреждений типа фаза - фаза без контакта с землей.
3. Значительные изменения амплитуд токов и напряжений на двух фазах с током в нуле и напряжением на разомкнутом треугольнике подразумевают наличие двухфазного короткого замыкания с землей.
4. Значительные амплитудные изменения амплитуд токов и напряжений всех фазах без тока в нуле и напряжения на разомкнутом треугольнике есть признаком трехфазного КЗ.
5. Амплитудные изменения в токе и напряжении в специфической фазе с током в нуле и напряжением на разомкнутом треугольнике являются признаком замыкание одной фазы на землю.
6. Общие изменения огибающих напряжения и тока подразумевают начало наступления повреждения при без токовой паузе в случае успешного или неуспешного АПВ.
7. Большие изменения частоты обусловлены нарушением баланса между генерируемой мощностью и потребляемой нагрузкой в узлах сети.
8. Если произошло срабатывание реле без наличия признаков повреждения, это означает начало возможной неисправности системы релейной защиты.
9. Если повреждение не вызывает за собой работу релейной защиты. то это является признаком выхода из строя или сбоя защиты.
10. Если релейная защита работала, изменилось состояние блок - контакта выключателя, но мониторинг подтверждает дальнейшее протекание тока, это может означать неисправность отключающего устройства выключателя. Самопроизвольное изменение положения блок - контакта не может служить подтверждением успешного размыкания поврежденной цепи. Определение повреждения может быть затруднено работой механизма размыкания.
3 Блок схема работы экспертной системы
Обобщенная блок-схема, описывающая работу экспертной системы анализа аварийных ситуаций в электроэнергетической системе, приведена на рис. 2.
В блоке 2 определяется место повреждения. Вначале анализируются сработавшиеся релейные защиты и отключенные выключатели. Выполнение второй части зависит от того, выполняется ли анализ с помощью регистратора, ПЭВМ подстанции, узла локальной вычислительной сети старшего по иерархии пункта управления.
В простейшем варианте используются соотношения, позволяющие определить виц КЗ и фазу (фазы) с повреждением на линиях 110 кВ и выше:
6I2<I1 Λ I1>Iном→Трехфазное КЗ;
6I2>I1 Λ I2>6Ic Λ (2π/3 < arg(I2A/ I1A) < 4π/3)→Междуфазное КЗ, А–В;
6I2>I1 Λ I2>6I0 Λ (4π/3 < arg(I2A/ I1A) < 2π)→Междуфазное КЗ В–С;
6I2>I1 Λ I2<6I0 Λ ((-π/3 < arg(I2A/ I1A) < π/3) Λ (-π/3 < arg(I2A/ IO) < π/3) →Междуфазное КЗ С-А;
6I2>I1 Λ I2<6I0 Λ ((π/3 < arg(I2A/ I1A) < π) Λ (π < arg(I2A/ IO) < 5π/3) →Однофазное КЗ, фаза А;
6I2>I1 Λ I2<6I0 Λ ((π/3 < arg(I2Ф/ I1Ф) < π) Λ (π < arg(I2A/ IO) < 5π/3) →Однофазное КЗ, фаза В:
6I2>I1 Λ I2<6I0 Λ ((0 < arg(I2A/ I1A) < 2π/3) Λ (π/3 < arg(I2A/ IO) < π) →Однофазное КЗ, фаза С;
6I2>I1 Λ I2<6I0 Λ ((2π/3 < arg(I2A/ I1A) < 4π/3) Λ (-π/3 < arg(I2A/ IO) < π/3) →Двухфазное КЗ на землю, А и В;
6I2>I1 Λ I2<6I0 Λ ((4π/3 < arg(I2A/ I1A) < 2π) Λ (π < arg(I2A/ IO) < 5π/3) → Двухфазное КЗ на землю, В и С.
Расчет расстояния до места повреждения на ВЛ производится по выражениям:
1. При трехфазных КЗ
где L- расстояние до места повреждения, км; Uав - модуль вектора междуфазного напряжения фаз А и В, В; Iав – модель разности векторов токов фаз А и В(Iaв=| Ia - Iв |); φ – угол между векторами Iaв, Uaв; Худ1 – удельное реактивное сопротивление прямой последовательности, Ом/км.
2. При двухфазных КЗ, включая двухфазные КЗ на землю
где Ua1, Uф2, Iф1, Iф2 – вектора напряжений и токов первой и второй поврежденных фаз; I2ф(3) – вектор тока обратной последовательности неповрежденной (третьей) фазы, повернутой на 90°, А; Zуд1 = Rуд + jХуд – удельное полное сопротивление прямой последовательности, Ом/км.
3. При однофазных КЗ
где U1, Iф – вектора напряжении и тока поврежденной фазы; Io – вектор тока нулевой последовательности, А; Ко – комплексный коэффициент компенсации, определяемый по формуле
где Zудо – комплексное удельное сопротивление нулевой последовательности линии.
Для двухцепных ВЛ или двух ВЛ, имеющих взаимоиндукцию по всей трассе, расчет расстояния до мест однофазного КЗ определяется по выражению
где Км – коэффициент компенсации тока нулевой последовательности неповрежденной ВЛ, определяемый по формулё Км = Худм/Худ1.
Для ВЛ с ответвительной подстанцией, где установлен силовой трансформатор с заземленной нейтралью, расстояние до места однофазных КЗ за ответвлением определяется по выражению
где L1–участок ВЛ от места установки индикатора до ответвления;
–коэффициент влияния ответвления (Хотв – реактивное сопротивление нулевой последовательности ответвления.
Возможно использование соотношений, приведенных в табл.1.
Повреждение в любой точке электрической системы определяется на основе выполнения критерия:
Fi=(IаИЗМ–IаPAC)2+(IbИЗМ–IbPAC)2+(IcИЗМ–IcPAC)2→min,
где i – индекс места сети, в котором выполняется расчет токов короткого замыкания, i=1, n (n – количество шин, связывающих объекты контролируемой сети); Fi – значение критерия; IаИЗМ, IbИЗМ, IcИЗМ – измеренные значения токов короткого замыкания в фазах а, b, с отключенного выключателя; IaPAC, IbPAC, IcPAC – значения токов короткого замыкания в фазах а, b, с по данным расчета.
Расчет токов короткого замыкания выполняется путем решения системы алгебраических уравнений, которые приблизительно описывают установившееся состояние фазовых токов в течение короткого замыкания. В уравнения входит сопротивление исходного режима, которое может быть рассчитано по напряжениям и токам; измеренным непосредственно до повреждения и сопротивление при повреждении, которое задается. В первую очередь следует рассмотреть тот объект, который установлен в результате первого этапа анализа.
По напряжениям фаз, сопротивлениям вычисляются расчетные токи каждой модели в расчетных точках. Только модель, которая описывает тип того повреждения, которое фактически произошло, будет наиболее близко соответствовать измеренным токам.
Следовательно, тип повреждения может быть идентифицирован по минимальному значению критерия. Так как используются уравнения для моделирования установившегося режимов для различных типов повреждений, то при моделировании не учитывается влияние ряда факторов: переходных токов генератора, влияния насыщения магнитных систем элементов. Однако, точная модель не требуется, пока модель, описывающая фактический тип повреждения, обеспечивает возможность его идентификации, при использовании набора моделей. В локальной сети выполняется расчет токов короткого замыкания на основе модели, адаптированной к текущей ситуации [l0] при использовании базы данных. В блоке 4 выполняется отбор информации, относящейся к объекту с повреждением.
Если объектом с повреждением является линия электропередачи, что проверяется в блоке 5, то выполняется определение места повреждения на линии. При использовании экспертной системы в ЛВС решается оптимизационная задача [12]:
F=(IаИЗМ–IаPAC(k))2+(IbИЗМ–IbPAC(k))2+(IcИЗМ–IcPAC(k))2→min,
где К – искомая точка КЗ, которая в процессе поиска перемещается по линии, включая и ответвления.
Рисунок 2 – Блок схема работы экспертной cиcтемы
При использовании регистратора выполняется формирование отчета на основе простыx логических зависимостей связывающих дискретную информацию, позволяющую сделать заключения. Диспетчерские сообщения имеют вид: в «Указывается время» отключилась от « Наименование Р3» ВЛ «наименование линии» с нагрузкой «указать сколько МВТ» с неуспешным «Вид АПВ»; расстояние до места повреждения «указывается», вид КЗ «указывается», «время работы выключателя...» и т.д. Более сложный вариант связан с анализом дискретных сигналов на основе правил базы знаний. Правила типа: если «условие» то «заключение» описывают возможная ситуация в поведения объекта. Так, для линий электропередачи напряжением 110–330 кВ с основными и резервными РЗ и с АПВ сформулировано 14 основных. ситуаций. Эти ситуации уточняются и дополняются в зависимости от схемы ОРУ подстанции. Соответственно, разработано 14 правил, позволяющих сделать заключение о виде КЗ, запуске защит, защите отключившей КЗ, работе АПВ, отказе защиты, отказе выключателя, ложной работе РЗ, самопроизвольном отключении выключателя. Составлены правила и для других элементов электрической сети.
На основании анализа множества о выключателях, изменявших свое положение, подмножеств по факту отключения выключателя в контролируемый период времени; факту включения выключателя в течение контролируемого периода; факту оставшегося отключенным выключателя в конце контролируемого периода; факту оставшегося включенным выключателя в конце контролируемого периода; множества о срабатывании различных реле и сопоставления с правилами базы знаний экспертная система принимает заключение.
В блоке 8 выполняется подготовка исходных данных для моделирования (конфигурация сети, параметры исходного режима, формирование возмущения, построение логической модели работы релейной защиты), а в блоке 9 выполняется моделирование повреждения. При работе блоков используется предикат:RZ(х, у, z), где х – код, идентифицирующий тип и место защиты; у – код, идентифицирующий выключатели, на которые воздействует данная РЗ; z – переменная, идентифицирующая защитную зону данной РЗ.
Далее выполняется сопоставительный анализ фактической работы защит и с результатами, полученными при моделировании. На основании анализа формируется отчет.
Таблица 1.–Соотношения для определения вида КЗ (коэффициенты уточнятся для конкретной сети)
ЛИТЕРАТУРА
1. Шалыт Г.М., Айзенфельд А.И., Малый А.С. Определение мест повреждений линий электропередачи по параметрам аварийного режима. / Под ред. Г.М.Шалыта. – М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Айзенфельд А.И., Шалыт Г.М. Определение мест короткого замыкания на линиях с ответвлениями. М.: Энергоатомиздат, 1988. – 160 с.
3. Kеzunоvic М., Frоmеn С. W. Аn Еxреrt Systеm fоr Trаnsmissiоn Substаtiоn Еvеnt Аnаlysis. – IЕЕЕ Trаnsаctiоn оn Роwer Dеlivеry, Vоl. 8, Nо. 4, Оctоbеr 1993.
4. Kеzunоvic М., Rikаlо I. Dеtеct апд Clаssify Fаults Using Nеurаl Nеts. – IЕЕЕ Cоmрutеr Аррlicаtiоns in Роwеr, Оctоbеr 1996.
5. Dаlstеin Th., Kulickе В. Nеurаl Nеtwоrk Аррrоаch tо Fаult Clаssificаtiоn fоr High Sрееd Рrоtеctivе Rеlаying. – IЕЕЕ Trаnsаctiоns оn Роwеr Dеlivеry, Vо1. 10, Nо. 2, Арri1 1995.
6. Dаlstеin Th. еt а1. Multi-Nеurаl Nеtwоrk Bаsеd Fаult Аrеа Еstimаtiоn fоr High Sрееd Рrоtеctivе Rеlаying. – IЕЕЕ Trаnsаctiопs оn Роwеr Dеlivеry, Vо1. 11. Nо. 2, Арril 1996.
7. Джеймс Хилко. Новая техника искусственного интеллекта для ранней диагностики дефектов аппаратуры. Мировая электроэнергетика №1–2, 1999. – с. 31–34.
8. Буткевич О.Ф., Павловський В.В. Пiдвищення ефективностi розв'язання задач оперативного управлiння електричними мережами за допомогою експертних систем//Теорiя та моделi пристроїв вимiрювальної i перетворювальної технiки: Зб. науяк. пр.–К.: Iн-т електродинамiки АН України, 1993.–С. 45–51,
9. Кириленко А.В.,Буткевич А.Ф.,Павловский В.В. Экспертные процедуры диагностирования при оперативном управлении электрическими сетями в аварийных ситуациях//Техн.электродинамика.1995,–№1.–с.66–73.
10. Заболотный И.П., Павлюков В.А. Автоматизированная система оперативного управления локальными объектами электрических систем. Збiрник наукових праць Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Електротехнiка i енергетика 21: Донецьк: ДонГТУ, – 2000. – С. 25–28.
11. Заболотный И.П. Развитие автоматизированных систем управления локальными объектами электроэнергетических систем//Збiрник тез доповiдей II-ї мiжнародної науково-технiчної конференцiї «Керування режимами роботи об'ектiв електричних систем–2002». – Донецьк, ДонНТУ, 2002. – с. 37.
12. Заболотный И.П., Ларин А.М., Изегова Н.Н. Развитие метода отыскания мест повреждения на ВЛ путем экспресс-анализа режима КЗ ЭЭС//Тезисы доклада. Всесоюзного семинара-совещания «Вопросы создання АСДУ нового поколения». Баку, 1990.