Способ мониторинга состояния участка электрической сети
METHOD FOR MONITORING THE CONDITION OF A SECTION OF THE ELECTRICAL NETWORK

Изобретение относится к способам обработки данных или цифровых вычислений, в частности, к способам постоянного наблюдения за состоянием участка электрической сети. Может использоваться для проведения работ по обеспечению надежности электроснабжения, где результаты обработки данных или цифровых вычислений служат обоснованием для проведения таких работ.
Известны способы мониторинга состояния электрических сетей, обеспечивающие защиту оборудования подстанций, возможность профилактического обслуживания, выявления состояния отказа и реагирования на них, обеспечивающие осуществление мониторинга и контроль качества электроэнергии и мощности. Способы основаны на отслеживании сигналов в виде напряжений и токов разных фаз («Мониторинг электрической сети» - https://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2011/03/power-grid-monitoring_ru.pdf , «Современные технологии мониторинга и эксплуатации объектов электроэнергетики» - https://test-energy.ru/ sovremennyye_tekhnologii_monitoringa_i_ekspluatatsii_obyektov_elektroenergetiki/).
Известен способ определения текущих параметров электрического режима линии электропередачи для построения ее г-образной адаптивной модели по патенту РФ № 2289823, G01R27/04, G01R27/08, 2005 г. Предложенное изобретение относится к области систем обработки информации и может быть использовано при управлении линией электропередачи. Задачей данного аналога является создание простого, точного, информативного способа определения текущих параметров электрического режима линии электропередачи. Способ определения текущих параметров электрического режима линии электропередачи для построения ее Г-образной адаптивной модели заключается в измерении мгновенных значений сигналов напряжений и токов в начале и в конце линии и передаче массивов с конца линии в ее начало по каналу связи. При этом по массивам отсчетов мгновенных значений тока и напряжения определяют разности массивов мгновенных значений токов начала и конца линии электропередачи, а также разности массивов мгновенных значений напряжений начала и конца линии электропередачи; сохраняют массив значений каждой из указанных разностей, а также массив мгновенных значений токов начала линии и напряжений конца линии, как текущий и предыдущий; определяют значения потери реактивной мощности и потери активной мощности в продольной и поперечной ветвях моделируемой линии электропередачи; на основании значений потерь реактивной и активной мощностей в продольной и поперечной ветвях моделируемой линии электропередачи и полученных произведений действующих значений токов в начале линии, а также действующих значений разности токов начала и конца линии электропередачи определяют активное и реактивное сопротивления в продольной и поперечной ветвях. Недостатком является большая погрешность в определении сопротивления линии электропередачи.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ мониторинга состояния электрической сети и энергообъекта и устройство для его реализации по патенту РФ № 2646321, G06F17/00, G06F17/40, 2017. Данный способ мониторинга  состояния электрических сетей заключается в аналого-цифровом преобразовании входных сигналов, цифровой обработке сигналов, при выполнении которой предварительно формируют множество классов возможных состояний сети, формируют перечень контролируемых параметров, производят измерения контролируемых параметров на некотором интервале, идентифицируют текущее состояние сети с одним из классов, определяют оптимальную частоту измерения контролируемых параметров для текущего состояния сети, формируют массивы с результатами измерений параметров (мониторинга), запоминают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга), передают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга). Недостатком аналога является необходимость формирования множества классов возможных состояний сети и перечней контролируемых параметров, что приводит к необоснованному увеличению объемов обрабатываемой, хранимой и передаваемой информации. Необходимость многократного сравнения получаемых при измерениях параметров с множеством классов возможных состояний сети вызывает сложность осуществления способа и возможность ошибки при определении состояния сети.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение достоверности определяемых параметров, повышение достоверности информации о состоянии электрической сети и упрощение способа мониторинга состояния электрической сети.
Технический результат достигается за счет того, что в способ непрерывного мониторинга состояния участка электрической сети, заключающемся в синхронизированном во времени измерении, запоминании на определенную дату и время значений сигналов в виде действующих значений токов, напряжений, фазовых сдвигов на входе и выходе участка электрической сети, передаче результатов измерений в центр обработки информации, согласно изобретению, для определенного интервала времени определяют приращение тока и напряжения, задают минимальное и максимальное значения коэффициента корреляции, рассчитывают коэффициенты корреляции между значениями токов и напряжений текущего измерения и предыдущих измерений, отбирают значения токов и напряжений с минимальным коэффициентом корреляции, далее из выбранных значений отбирают значения токов и напряжений с максимальным коэффициентом корреляции, для оставшихся полученных значений тока и напряжения определяют среднее сопротивление участка сети, формируют массив значений внутренних средних сопротивлений на определенные даты, формируют перечень внешних факторов, влияющих на внутреннее сопротивление сети, определяют временной интервал для построения многофакторной модели поведения внутренних сопротивлений участка электрической сети, зависящей от внешних влияющих факторов и определенных значений токов и напряжений , используют уравнение корреляционной связи для построения многофакторной модели, рассчитывают коэффициенты корреляции значений внутренних сопротивлений участка сети на определенные даты, строят многофакторную модель зависимости сопротивления сети от внешних факторов, при этом соблюдают условие, что  абсолютные значения рассчитанных коэффициентов корреляции не превышают единицу, формируют уточненный перечень внешних влияющих факторов и формируют уточненный массив измеренных значений тока и напряжения, на основе уравнения корреляционной связи проводят   расчет числовых коэффициентов многофакторной модели поведения внутренних сопротивлений участка электрической сети во времени в зависимости от уточненного перечня внешних влияющих факторов и уточненного массива значений токов и напряжений, определяют значимые влияющие внешние факторы на внутреннее сопротивление сети.
Определяют внутреннее сопротивление участка электрической сети для полных, активных, реактивных сопротивлений.
Определяют внутреннее сопротивление участка электрической сети для полных, активных, реактивных сопротивлений n-х гармонических составляющих напряжения.
Повышение достоверности определяемых параметров и информации о состоянии сети обеспечивается, во-первых, тем, что определяют оптимальный интервал времени контроля параметров, во-вторых, тем, что сопротивление сети определяют с учетом внешних факторов.
Определение оптимального интервала времени контроля основано на выявлении временных участков, путем расчета коэффициента корреляции между током и напряжением, на которых допустимо определение внутреннего сопротивления сети.   Достоверность определения внутреннего сопротивления сети обеспечивается за счет того, что выбирают такой интервал времени, на котором зависимость между током и напряжением с определенным уровнем вероятности линейна и подчиняется закону Ома.  На данном временном интервале среднее значение коэффициента корреляции (-0,9)÷(-1),  абсолютные значения рассчитанных коэффициентов корреляции не превышают единицу.  Оптимальный интервал времени определяют для последующего построения многофакторной модели поведения внутренних сопротивлений участка электрической сети во времени.
Для оценки влияния внешних факторов на определяемые параметры формируют перечень этих факторов. Информацию для составления данного перечня получают опытным путем, с учетом условий, характерных для конкретного места нахождения электрической сети, для конкретной даты и времени.  Для учета влияния внешних факторов используют теорему Колмогорова о возможности представления любой непрерывной функции в виде суперпозиции непрерывных функций. Таким образом, получают зависимость между внутренним сопротивлением сети и внешними факторами. И записывают ее в виде многофакторной линейной модели. По которой, для каждого влияющего фактора определяют коэффициент значимости. По этой многофакторной модели определяют состояние электрической сети или наличие дефектов.
Упрощение способа мониторинга состояния участка электрической сети достигается уменьшением объема передаваемых и хранимых данных. Объем уменьшается за счет измерения небольшого количества параметров, таких как значения токов, напряжений, фазовых сдвигов между ними на входе и выходе участка электрической сети. Кроме того, упрощение способа происходит за счет определения состояния участка сети по одному параметру – внутреннему сопротивлению.  Возможность определения состояния участка сети по одному параметру обеспечивается проведением анализа влияния внешних факторов, влияющих на внутреннее сопротивление сети. При этом упрощение способа мониторинга происходит за счет исключения необходимости расчетов большого количества параметров по полученным в ходе измерений данным и за счет исключения необходимости сравнения получаемых при измерениях параметров с множеством классов возможных состояний сети, как в ближайшем аналоге.
На фигуре 1 представлена схема участка сети, рассматриваемая в качестве примера для применения предлагаемого способа мониторинга состояния участка электрических сетей.
На фигуре 2 изображен график зависимости коэффициентов корреляции от времени в точке 1.
На фигуре 3 изображен график зависимости коэффициентов корреляции от времени в точке 2.
На фигуре 4 представлена таблица средних значений коэффициентов корреляции для различных интервалов времени за наблюдаемый период.
Способ мониторинга электрической сети осуществляют следующим образом.
На входе и на выходе участка сети с определенной дискретностью, например, с интервалом в 1 минуту, измеряют ток, напряжение и фазовый сдвиг между ними. Передают измеренные данные в центр обработки информации. Измерение всеми приборами проводят синхронно. В центре обработки информации определяют приращение тока и напряжения как разницу между средними за интервал измерения действующим значением тока и средними за интервал значением напряжения на входе и выходе участка электрической сети. Среднее значение определяют исходя из технических возможностей средств измерения, например, с шагом в 0,2 сек. Далее проводят следующие действия:
- Задают минимально допустимое значение коэффициента корреляции, например, минус 0,8.
- Задают максимально допустимое значение коэффициента корреляции, например минус 0,98.
- Задают максимально допустимое значение временного интервала, например, 240 минут.
- Рассчитывают коэффициенты корреляции для значений токов и напряжений текущего измерения и значений токов и напряжений предыдущих измерений, принадлежащих временному ряду.
- Отбирают значения токов и напряжений с минимально допустимым коэффициентом корреляции.
- Из отобранных значений токов и напряжений снова отбирают значения токов и напряжений, принадлежащих  временному ряду, с максимальным фактическим  коэффициентом корреляции.
- Для отобранных значений токов и напряжений рассчитывают среднее за временной ряд внутреннее сопротивление участка электрической сети. Расчет производят на  момент последних измеренных значениях тока и напряжения.
- Формируют массивы значений внутренних сопротивлений, распределенных по времени на определенные даты.
Внутреннее сопротивления участка электрической сети по вышеуказанному алгоритму могут определять для полных, активных, реактивных сопротивлений, а также для полных, активных, реактивных сопротивлений n-х гармонических составляющих.
Таким образом, в результате измерений и вычислений для проведения контроля формируют исходные данные в виде значений на определенную дату и время активных и реактивных внутренних сопротивлений участка электрической сети, токов, напряжений и угла между ними на входе и выходе участка электрической сети, в том числе для первой и последующих гармоник.
Далее для обеспечения достоверности контроля формируют исходные данные в виде значений на определенную дату и время внешних влияющих факторов. Такими факторами могут быть, например, – температура окружающей среды, температура масла в баке трансформатора, давление окружающей среды, влажность воздуха и другие факторы, значения которых могут быть известны на определенную дату и время. Предварительный выбор объясняющих переменных для внешних влияющих факторов производят путем экспертных оценок. При этом среди всех видов переменных отбираются те, которые в наибольшей степени влияют на внутреннее сопротивление сети. Для участка электрической сети выбирают следующий перечень возможных внешних влияющих факторов:
- температура окружающей среды,
- влажность воздуха,
- величина тока через участок сети,
- температура масла в баке трансформатора,
- величина активной составляющей тока через участок сети,
- величина реактивной составляющей тока через участок сети,
- величина активной n-ой гармонической составляющей тока через участок сети,
- величина реактивной n- ой гармонической составляющей тока через участок сети.
Определяют оптимальный временной интервал, например 30 дней, для построения многофакторной модели поведения внутренних сопротивлений участка электрической сети,  на котором зависимость между током и напряжением с определенным уровнем вероятности линейна и подчиняется закону Ома.  На данном временном интервале среднее значение коэффициента корреляции (-0,9)÷(-1),  абсолютные значения рассчитанных коэффициентов корреляции не превышают единицу. Определение оптимального временного интервала основано на известном способе определения внутреннего сопротивления участка электрической сети путем обработки синхронизированных во времени результатов измерений токов, напряжений и угла между ними (Старцев А.П., Тендряков Д.Л. Способ определения внутреннего сопротивления сети - Электрические станции, 2003, № 10). Данный способ основан на выявлении линейной зависимости между током и напряжением и определении временных участков путем расчета коэффициента корреляции между током и напряжением, на которых допустимо определение внутреннего сопротивления сети. Многофакторную модель строят в зависимости от поведения внутренних сопротивлений участка электрической сети во времени в зависимости от внешних влияющих факторов и определенных значений токов и напряжений на основе уравнения корреляционной связи.
Для учета влияния внешних факторов используют теорему Колмогорова о возможности представления любой непрерывной функции в виде суперпозиции непрерывных функций, при этом исходят из того, что сопротивления сети определяются внутренними параметрами сети и внешними факторами. Зависимость между внутренним сопротивлением сети и внутренними и внешними факторами записывают в виде многофакторной линейной модели. Учитывая, что измеренные внутренние сопротивления участка сети на определенном временном интервале носят случайный характер, для любого промежутка времени записывают уравнение корреляционной связи:
o
1
1
m
m
Z=b+b X+⋯+b X+ε
где: m – количество основных влияющих факторов;
k=n-m – количество прочих второстепенных факторов;
– доля значений внутренних сопротивлений участка сети, зависящая от второстепенных факторов;
Z – внутреннее сопротивление сети;
b – факторы влияющие на сопротивление сети;
X – коэффициент значимости.
Определяют наличие связи между внутренними сопротивлениями участка электрической сети и внешними влияющими факторами, значениями токов и напряжений, для чего рассчитывают коэффициенты корреляции значений внутренних сопротивлений участка сети с каждой объясняющей переменной – внешним влияющим фактором или измеренными значениями тока и напряжения. При этом не рассматривают такие внешние влияющие факторы, для которых
- абсолютное значение рассчитанного коэффициента корреляции превышает единицу;
- рассчитанный коэффициент корреляции близок к нулю.
Рассчитывают парные коэффициенты корреляции между всеми объясняющими переменными и делают проверку всех рассчитанных коэффициентов, к построению модели не допускаются объясняющие переменные у которых рассчитанный коэффициент корреляции близок к нулю. По результатам проверок формируют уточненный массив объясняющих переменных - внешних влияющих факторов и измеренных значений тока и напряжения.
Производят  расчет числовых коэффициентов многофакторной модели поведения внутренних сопротивлений участка электрической сети во времени в зависимости от внешних влияющих факторов и определенных значений токов и напряжений на основе уравнения корреляционной связи. Проводят анализ многофакторной модели. Выявляют значимые внешние факторы, влияющие на внутреннее сопротивление участка сети, в том числе могут быть выявлены не характерные значимые факторы, существенно влияющие на внутреннее сопротивление. При выявлении таких факторов разрабатывают и проводят мероприятия по их устранению.
Пример
Применение предлагаемого способа мониторинга состояния электрических сетей представлено на примере для участка сети, приведенного на фигуре 1. Точка 1 -точка входа рассматриваемого  участка электрической сети, точка 2 является точкой выхода участка электрической сети. В точках 1 и 2 установлены приборы для измерения действующих значений токов, напряжений, фазовых сдвигов. Применяют приборы для измерения показателей качества электроэнергии (ПКЭ) со стандартными интерфейсами, позволяющими подключать любые модемы.  Измерительные приборы синхронизированы между собой по отсчету моментов измерений. Производят замеры значений тока и напряжения в точках 1 и 2 с частотой один раз в минуту. Передают результаты измерений в центр обработки информации, например, с помощью систем, например GSM, PLC. Проводят статистическую обработку результатов измерений токов и напряжений. Определяют приращение тока и напряжения. Задают минимальное значение коэффициента корреляции минус 0,8. Рассчитывают коэффициенты корреляции между значениями токов и напряжений текущего измерения и предыдущих измерений для интервала времени 240 минут.. Отбирают значения токов и напряжений с минимальным коэффициентом корреляции. Из выбранных значений отбирают значения токов и напряжений с максимальным коэффициентом корреляции, для отобранных значений тока и напряжения определяют среднее сопротивление участка сети. В таблице на фигуре 4 приведены средние значения коэффициентов корреляции для различных  интервалов времени за наблюдаемый период. Из этой таблицы видно что, определение внутреннего сопротивления сети следует осуществлять на интервале времени продолжительностью 180 минут, так как на этом временном интервале коэффициенты корреляции как в точке 1 так и в точке 2 максимальны.  Для определения внутреннего сопротивления сети используют только те данные, где зависимость между током и напряжением действительно линейна и зависит только от протекающего тока, то есть участки, на которых величина коэффициента корреляции превышает величину (-0,9).  Строят графики зависимости коэффициентов корреляции между током и напряжением первой гармоники в точках 1 и 2 участка электрической сети для ширины выборки 180 минут.  По графикам, представленным на фигурах 2 и 3 видно, что для дальнейших расчетов должны быть выбраны значения токов и напряжений, принадлежащих интервалам времени:
- для точки 1 – 5 час 28 мин … 9 час 23 мин;
- для точки 2 – 5 час 25 мин… 9 час 37мин.
Формируют массив значений внутренних средних сопротивлений на определенные даты. Формируют исходные данные в виде значений на определенную дату и время внешних влияющих факторов, например – температура окружающей среды, температура масла в баке трансформатора, давление окружающей среды, влажность воздуха на текущую дату и время. Строят многофакторную модель зависимости сопротивления сети от внешних факторов. Определяют наличие связи между внутренними сопротивлениями участка электрической сети и внешними влияющими факторами. При этом исключают такие внешние влияющие факторы, для которых  абсолютное значение рассчитанного коэффициента корреляции превышает единицу, рассчитанный коэффициент корреляции близок к нулю. Формируют уточненный массив внешних влияющих факторов и измеренных значений тока и напряжения. Построенная многофакторная модель с уровнем значимости 0,05 в дополнение к объяснимым влияющим факторам выявила следующие не характерные значимые факторы, влияющие на внутреннее сопротивление участка сети:
- величина протекающего через участок тока;
- температура масла в баке трансформатора.
Эти факторы указывают на появление возможного дефекта – увеличение внутреннего сопротивления силового трансформатора за счет роста переходного сопротивления контактов внутри силового трансформатора. Дополнительное обследование активной части силового трансформатора выявило окисление контактного соединения одной из шпилек внутри бака трансформатора. Такое повышение достоверности определяемых параметров улучшает качество мониторинга контролируемого участка сети.  За счет оценки состояния участка электрической сети только по одному комплексному параметру – внутреннему сопротивлению сети уменьшают объем передаваемой, хранимой и обрабатываемой информации, что упрощает и облегчает осуществление мониторинга.
Таким образом, изобретение позволяет повысить степень достоверности определяемых параметров и обеспечить упрощение способа контроля за состоянием электрической сети.