Релейная защита и противоаварийная автоматика: от сигналов к данным и знаниям

Релейная защита и противоаварийная автоматика: от сигналов к данным и знаниям

Предложен подход к построению алгоритмов функционирования и способов реализации средств релейной защиты и противоаварийной автоматики современных электроэнергетических объектов. В его основе — извлечение знаний об авариях и аварийных участках в режиме реального времени. Требует преобразования сигналов таких средств в данные и информацию о параметрах электроэнергетических объектов и режимах их работы и последующего получения знаний об авариях и аварийных участках. Знания являются основанием для формирования сигналы индикации или селективного отключения поврежденных элементов или участков.

Использование средств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) в электроэнергетических системах и сетях, а также системах электроснабжения преследует цель селективного определения поврежденных участков и их отключения [16, 28]. Очевидно, что достижение указанной цели означает формирование знания о фактах работы защищаемых участков сетей (или электрооборудования) в ненормальных или аварийных режимах. Такое знание должно быть получено за десятки — сотни миллисекунд, Ограничение по времени обусловлено разрушительным действием токов и напряжений в аварийных режимах, и только путем обеспечения быстродействия РЗА ограничиваются размеры повреждений [24, 30]. В противном случае последствия аварий достигают катастрофических масштабов. Достаточно вспомнить аварии на электрических станциях (Чернобыльской АЭС, Саяно-Шушенской ГЭС), и особенно, — человеческие жертвы на этих объектах. Немаловажное значение имеет и экономический ущерб от недоотпуска электрической энергии, нарушений технологических процессов потребителей, выполнения ремонтных работ по замене поврежденного оборудования [4, 7, 17, 18, 33].

Следовательно, актуальной, является проблема совершенствования алгоритмов функционирования, способов и средств реализации релейной защиты и противоаварийной автоматики современных электроэнергетических объектов [26]. Важно отметить, что инновационные решения последних лет дают технологические возможности [8, 9] для создания средств релейной защиты и противоаварийной автоматики нового поколения.

Обоснование подхода в построению алгоритмов функционирования и способов реализации средств релейной защиты и противоаварийной автоматики современных электроэнергетических объектов на основе извлечения знаний в режиме реального времени путем преобразования сигналов таких средств в данные и информацию о параметрах электроэнергетических объектов и режимах их работы и последующего получения знаний об отклонениях режимов работы от нормальных и формирования сигналов индикации или отключения поврежденных элементов или участков.

Идентифицируемые аварийные режимы объектов электроэнергетики обусловлены нарушениями изоляции или, наоборот, потерей проводимости токоведущих частей электрооборудования. Встречаются случаи механических повреждений, приводящие к нарушениям нормальных режимов, а также ошибки персонала. Прямой контроль отклонений перечисленных типов при работе электроустановок под нагрузкой невозможен. Во-первых, места повреждений имеют распределенный в пространстве характер, поэтому даже визуальный перманентный контроль исключен. Во-вторых, характер повреждений столь разнообразен, что для их выявления не существует одного типа приборов и физических параметров.

Общим признаком аварийных режимов в электроэнергетике является изменение их параметров и выход за допустимые пределы. Именно поэтому принципы построения РЗА ориентированы на контроль параметров электрических сетей и электрооборудования [19, 27]. В число таких параметров входят как их конструктивные и физические величины, так и параметры режимов работы в составе электроэнергетических систем, сетей, потребителей электрической энергии [12, 13, 31, 32]. В тех случаях, когда перечисленные параметры выходят за допустимые пределы, средствами РЗА вырабатываются сигналы индикации или команды отключения. В качестве параметров режимов используются и сигналы, получаемые преобразованием параметров прямого измерения в сигналы, пропорциональные таким составляющим, как токи и напряжения обратной последовательностей, либо высшие гармонические составляющие, кратные основной частоте.

Изложенный принцип работы современных средств релейной защиты и автоматики предполагает использование сигналов датчиков, а в алгоритмах микропроцессорных средств — информации о параметрах электроэнергетических объектов. Такая информация имеет форму цифровых данных, для получения которых применяются аналого-цифровые преобразователи. Именно эти данные используются в алгоритмах средств релейной защиты и автоматики в качестве признаков нормальных или аварийных режимов работы защищаемых объектов. Но до настоящего времени отсутствуют процедуры производства знаний о месте аварии и необходимых для их локализации отключениях.

Вместе с тем, команда на отключение электрооборудования должна быть результатом знания о факте аварии на конкретном участке или конкретной единице оборудования. Следовательно, в алгоритмы функционирования средств релейной защиты и противоаварийной автоматики должны быть включены такие вычислительные и логические процедуры, которые вырабатывают искомые знания. В качестве таких процедур могут применяться информационные технологии экспертных систем, правила, законы и закономерности, методы нечеткой логики, фильтрация, трансформация, обогащение данных, анализ данных (и особенно — интеллектуальный) и др. Перечисленные процедуры и технологии обработки данных уже отработаны и проверены в практике управления предприятиями и их технологическими процессами.

Принципиально важно, что производство знаний [6, 11] в средствах релейной защиты и автоматики должно выполняться в режиме реального времени при следующих ограничениях:

• — быстродействие средств защиты должно гарантировать минимизацию размеров разрушений в аварийных режимах, что предопределяет максимально допустимое время извлечения знаний;
• — чувствительность РЗА должна гарантировать получение знания об аварийном участке, несмотря на погрешности работы датчиков и преобразователей, а также с учетом отстройки от аварийных параметров режимов работы при повреждениях на смежных участках электрических сетей и систем;
• — надежность средств РЗА должна отвечать требуемому (априори заданному) уровню;
• — селективность действия РЗА должна гарантировать выбор дляотключение только поврежденного участка и сохранения работоспособности неповрежденных элементов.

Таким образом, создана концепция построения алгоритмов функционирования средств релейной защиты и автоматики нового поколения — умных устройств [10, 15], команды которых основаны на знаниях об аварийных режимах и местах таких аварий. В алгоритмы входят и ограничения, в рамках которых происходит извлечение знаний. Совокупность процедур извлечения знаний и ограничения математически образуют необходимые и достаточные условия для формализации решаемой задачи. Следовательно, задача становится формализуемой. Формализованная задача является алгоритмически реализуемой, и, следовательно, может решаться без участия человека, то есть средствами релейной защиты и автоматики.

Отметим, что формализованная постановка задачи идентификации поврежденного участка и вида повреждения по функционально зависимым от них параметрам режимов, с учетом возникновения неизбежных погрешностей в датчиках и устройствах преобразования сигналов, предполагает решение задач синтеза. Для этого требуются соответствующие научные разработки и решения.

Для реализации предлагаемых расширенных алгоритмов хорошо подходят микропроцессорные средства и вычислительные системы, в том числе, с многоуровневой архитектурой. Отметим, что требования к таким средствам минимальны, в отличие от используемых, например, для решения задачи обеспечения точности заключения о наступлении аварийного режима путем экстенсивного наращивания мощностей аппаратных средств. Иначе говоря, программная реализация «умного» алгоритма основана на конвергенции, а не дополнении дорогостоящими техническими средствами. Немаловажное значение имеет возможность программирования процедуры извлечения знаний без затрат на расширение вычислительной системы, выполняющей функции релейной защиты и автоматики. Такая возможность имеет большое значение при внедрении и эксплуатации инновационных решений [3, 20−23, 25, 29]. Действительно, закономерность распространения инновационных продуктов предполагает формирование спроса не только на оригинальные новшества — такой спрос свойственен весьма ограниченному сегменту рынка, но и на получившие признание продукты, потребители которых ориентированы на «подражание» другим участникам рынка. Диффузионные модели распространения инноваций [2, 5] доказывают такую закономерность. Кроме того, сложность современного технического обеспечения требует подготовки высококвалифицированных специалистов. Система такой подготовки формируется быстрее и эффективнее, если базируется на опыте эксплуатации продуктов-аналогов [1, 14].

Выводы

Предложен подход в построению алгоритмов функционирования и способов реализации средств релейной защиты и противоаварийной автоматики современных электроэнергетических объектов на основе извлечения знаний в режиме реального времени путем преобразования сигналов таких средств в данные и информацию о параметрах электроэнергетических объектов и режимах их работы и последующего получения знаний об авариях и аварийных участках для формирования сигналов индикации или селективного отключения поврежденных элементов или участков. Такое решение позволяет повысить эффективность функционирования современных средств релейной защиты и автоматики за счет повышения обоснованности производимых отключений, а соответственно — снижения размеров повреждений от аварий на электростанциях, в электроэнергетических системах и системах электроснабжения.

• 1. Артемьев A.B., Минаков В. Ф., Макарчук T.A. Управление обучением персонала коммерческого банка: Эффекты. Синергия // Статистика и экономика. — 2013. — № 3. — С. 11−15.
• 2. Воробьев В. П., Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Эффект инновационных процессов — генерирование денежного потока // Известия Санкт-Петербургского государственного экономического университета. — 2012. — № 3. — С. 27−32.
• 3. Галстян А. Ш., Глушко Д.C., Минаков В. Ф., Шиянова A.A. Повышение эффективности работы предприятий электросвязи на основе различных вариантов вложения средств // Инфокоммуникационные технологии. — 2007. — № 3. — С. 114−119.
• 4. Галстян А. Ш., Шиянова А. А., Минаков В. Ф. Моделирование стратегического развития рынка страхования в России: проблемы и пути их решения // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. — 2014. — № 2 (41). — С. 256−260.
• 5. Галстян А. Ш., Шиянова А. А., Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Верификация экономико-математической модели инновационного развития связи и инфотелекоммуникаций России // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. — 2015. — № 3 (48). — С. 78−84.
• 6. Горячева Е. А., Минаков В. Ф., Барабанова М. И. Модель управления ликвидностью при контроле Банком России в режиме реального времени // Статистика и экономика. — 2013. — № 4. — С. 178−183.
• 7. Маслов B.И., Минаков В. Ф. Эластичность качества по цене и затратам // Стандарты и качество. — 2012. — № 9 (903). — С. 88−90.
• 8. Минаков В. Ф. Информационные потоки как фактор производства // Nauka-rastudent.ru. — 2015. — № 11 (23). — С. 32.
• 9. Минаков В. Ф. Информация как фактор производства // В сборнике: Актуальные вопросы современной науки. Материалы международной научно-практической конференции. — Нефтекамск: ООО «Наука и образование». — 2015. — С. 221−216.
• 10. Минаков В. Ф. Концепция мультиагентного анализа иерархий // Nauka-rastudent.ru. — 2016. — № 3 (27). — С. 30.
• 11. Минаков В. Ф. Логистика мобильной торговли // Международный научно-исследовательский журнал = ResearchJournalofInternationalStudies. — 2014. — № 9 (28). — С. 77−78.
• 12. Минаков В. Ф. О схемах замещения асинхронных и синхронных машин // Электричество. — 1995. — № 4. — С. 27−29.
• 13. Минаков В. Ф. Обобщение моделей и характеристик работы трехфазных электродвигателей в сетях 0,4 и 6 кВ и совершенствование средств их релейной защиты: Автореф. дисс. … докт. техн. наук. — Новочеркасск. — 1999. — 33 с.
• 14. Минаков В. Ф. Различия и сходства в периодизации теории поколений // Международный научно-исследовательский журнал = ResearchJournalofInternationalStudies. — 2014. — № 12−2 (31). — С. 122−124.
• 15. Минаков В. Ф. Смарт инновации: понятие, сущность // Nauka-rastudent.ru. — 2016. — № 1 (25). — С. 13.
• 16. Минаков В. Ф. Совершенствование защиты вентильного двигателя // Международный научно-исследовательский журнал = ResearchJournalofInternationalStudies. — 2015. — № 1−3 (32). — С. 20−22.
• 17. Минаков В. Ф. Ценовая эластичность спроса и предложения качества // Информационные технологии в бизнесе. Сборник научных статей 8-й международной научной конференции. — Санкт-Петербург. Издательство «Инфо-да». — 2013. — С. 51−60.
• 18. Минаков В. Ф. Экономическаяволнометрика воспроизводства // Nauka-rastudent.ru. — 2015. — № 2 (14). — С. 5.
• 19. Минаков В. Ф., Дорожко С. В. Математическое моделирование датчика несимметрии и несинусоидальности трехфазного напряжения прямой или обратной последовательности // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 1992. — № 6. — С. 3−8.
• 20. Минаков В. Ф., Корчагин Д. Н., Король А. С., Галстян А. Ш., Азаров И. В. Оптимизация автоматизированных систем межбанковских расчетов // Финансы и кредит. — 2006. — № 20 (224). — С. 17−21.
• 21. Минаков В. Ф., Корчагин Д. Н., Король А. С., Шевцов М. А. Пустахайлов С.К. Математическое моделирование автоматизированных информационных процессов // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. — 2006. — № 3. — С. 15−19.
• 22. Минаков В. Ф., Лобанов О. С., Минакова Т. Е. Аналоговые и дискретные метрики и модели оценки инноваций // Материалы 3-й научно-практической internet-конференции Междисциплинарные исследования в области математического моделирования и информатики. — Ульяновск. — 2014. — С. 280−287.
• 23. Минаков В. Ф., Малышенко А. В. Декомпозиция инновационных процессов в вузе // Наука. Инновации. Технологии. — 2004. — № 36. — С. 12−15.
• 24. Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Математическая модель кумулятивного эффекта энергосбережения // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 2013. — № 1. — С. 197−199.
• 25. Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Модернизация региональных информационных ресурсов в облачные платформы и сервисы // Международный научно-исследовательский журнал = ResearchJournalofInternationalStudies. — 2013. — № 10−3 (17). — С. 56−57.
• 26. Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Способ быстродействующей защиты электродвигателей от несостоявшихся пусков // Альманах современной науки и образования. — 2013. — № 9 (76). — С. 113−115.
• 27. Минаков В. Ф., Редькин В. М., Минакова Т. Е., Чуркин Д. Г. Методика типизации параметров двигателей серии 4 А // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 1993. — № 6. — С. 77.
• 28. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Блочная структура релейной защиты и автоматики // Альманах современной науки и образования. — 2013. — № 10 (77). — С. 114−116.
• 29. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Инновационное развитие региональных информационных ресурсов как облачных платформ // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота. — 2013. — № 12 (79). — С. 116−117.
• 30. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Параллельная работа кабельной и воздушной линий электропередачи // Международный научно-исследовательский журнал = ResearchJournalofInternationalStudies. — 2013. — № 11−1 (18). — С. 113−114.
• 31. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Синергия энергосбережения при высокой добавленной стоимости продукции // Современные проблемы науки и образования. — 2013. — № 4. — С. 26.
• 32. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Энергосбережение — мультипликатор эффективности экономики // Международный научно-исследовательский журнал = ResearchJournalofInternationalStudies. — 2013. — № 11−2 (18). — С. 60−61.
• 33. Шиянова А. А., Галстян А. Ш., Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Математическое моделирование макроэкономических трендов развития страхового бизнеса // Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 4. — С. 436.