Тема: Разработка алгоритмов раннего определения аварийных режимов работы силового трансформатора

По данным исследования компании British Petroleum среди всех стран мира Россия занимает 4 место по количеству выработанной электроэнергии на 2020 год [10]. Министерство энергетики в свою очередь прогнозирует увеличение выработки на 2% на 2022 год относительно 2021 года [7]. По программе развития Единой энергетической системы (ЕЭС) России на 2018¬2024 годы общий рост составит 8,82% [6]. Приведенная статистика показывает, что с каждым годом спрос на электрическую энергию растёт, вследствие чего повышаются требования к имеющемуся оборудованию электрогенерации и к будущему, которое будет использоваться взамен выведенного из эксплуатации. Одним из приоритетных узлов в электроэнергетической системе (ЭЭС) является силовой трансформатор. На 2018 год по данным министерства энергетики 1,63% от общего количества объектов генерации находится в критическом состоянии, 29,41% в удовлетворительном. Данные показатели представлены на рисунке 1.
В свою очередь 3,62% силовых трансформаторов напряжением 110 кВ находятся в неудовлетворительном состоянии, 25,36% в удовлетворительном, 20% трансформаторов напряжением 220 кВ имеют неудовлетворительное состояние, 11,67% удовлетворительное. Диаграмма, демонстрирующая физический износ силовых трансформаторов в процентном соотношении представлена на рисунке 2.
Все вышеприведенные данные свидетельствуют о том, что оборудование, которое находится в критическом, неудовлетворительном и удовлетворительном состояниях требуют повышенного внимания и полноценной оценки, и прогнозирования их работоспособности.
Цель выпускной квалификационной работы (ВКР): разработка нового метода мониторинга технического состояния магнитной системы силового трансформатора в режиме «on-line», задачей которого является определение анормального и аварийного режимов работы трансформатора по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) на ранней стадии в случае их зарождения.
Объект исследования: однофазный силовой трансформатор, генератор частоты и осциллографа.
Основные задачи ВКР:
- Разработать методику проведения испытаний амплитудно-частотных характеристик однофазного трансформатора, с целью проверки функционала существующих методов контроля технического состояния трансформатора.
- Провести испытания амплитудно-частотных характеристик однофазного трансформатора, с целью проверки функционала существующих методов контроля технического состояния трансформатора.
- Разработать математическую модель исследуемого трансформатора.
- Разработать блок-схему передачи данных с учетом протоколов связи.
- Разработать подход диагностирования магнитной системы трансформаторов с использованием АЧХ в режиме «on-line».

Купить

В рамках выполнения выпускной квалификационной работы были представлены результаты опытов и модель для создания алгоритма раннего определения анормального и аварийного режима работы силового трансформатора. Важность данной работы заключается в разработке метода, который позволит определять от 75% до 85% всех дефектов, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации трансформатора. Несмотря на то, что имеющиеся методы контроля технического состояния трансформатора зарекомендовали себя, как достаточно точные и эффективные способы мониторинга параметров его работы до сих пор вопрос контроля магнитной системы остается открытым.
Магнитная система подвержена таким дефектам как деформация центральной и нижней части обмотки, смещение центральной и нижней части обмотки, смещение обмоток относительно друг друга, смещение относительно зажимной конструкции, осевая деформация, радиальная деформация, смещение дисков, межвиткое короткие замыкания, деформация магнитопровода. Каждый из перечисленных дефектов накладывает отпечаток на амплитудно-частотную характеристику трансформатора, вследствие чего можно определить тип неисправности. Планируется, что разрабатываемая система мониторинга станет частью основных систем мониторинга стандартизированных ПАО «Россети» для этого помимо определения типа дефекта разрабатываемый комплекс должен прогнозировать период времени, который поврежденный трансформатор может оставаться функционирующим в зависимости от имеющегося повреждения.
На сегодняшний момент в рамках разработки системы раннего определения анормального и аварийного режима работы силового трансформатора по амплитудно-частотной характеристике в режиме «on-line» была реализована часть определения типа дефектов, которые возникают в процессе его эксплуатации. Для этого были прописаны алгоритм логики работы системы учитывающий широкий спектр условий, оказывающих негативное влияние на качество входящего сигнала для анализа. Помехи может накладывать трансформаторное оборудование, оборудование, устанавливаемое непосредственно на трансформаторной подстанции, и конструкция контролируемого трансформатора соответственно. Чтобы снизить влияние всех вышеперечисленных факторов к возможному минимуму были подобраны математические модели удовлетворяющим заданным требованиям обработки и анализа поступающих данных. Такими математическими моделями стали: быстрое преобразование Фурье, Вейвлет преобразование, метод Прони и фильтр Калмана. Учитывая условия разработки метода мониторинга магнитной системы трансформатора в режиме «on-line» классическое преобразование Фурье, как единственная функция анализа данных не подходит, в связи с чем в комплексную математическую модель было добавлено Вейвлет преобразование. Из-за точности и удобства использования БПФ применимо на первоначальном уровне анализа входного сигнала, далее импульсный отклик исследуется методом Вейвлет преобразования.
Для наиболее корректной работы всего метода стоит использовать дополнительные фильтры сигналов и методы анализа данных. В качестве дополнительного математического аппарата выполняющего роль фильтра был выбран фильтр Калмана. Данный фильтр позволяет учесть наибольшее количество факторов и особенностей силового трансформатора и отсеять большую часть помех. Однако использование одних только фильтров недостаточное условие для полноценного функционирования системы мониторинга магнитной системы силового трансформатора. За пределами математической модели лабораторного стенда при подключении измерительного оборудования к реальному трансформатору могут возникать факторы, которые не представляется возможным просчитать и учесть теоретическим способом, поэтому важно предусмотреть такую математическую модель, которая бы справилась с подобными задачами. Более подробно схема подключения измерительного оборудования к силовому трансформатору будет рассмотрена в следующем разделе, однако забегая вперед можно сказать о том, что основной целью при разработке данной системы мониторинга ставилось собрать схему получения данных, используя оборудование, которое уже устанавливается на подстанциях. Поэтому стоит учесть при проектировании недостаточную точность измерительного оборудования и возможную потерю части данных при их передаче. Исходя из этого условия помимо преобразования Фурье, преобразования Вейвлета и фильтра Калмана и имеющимся математическим моделям был добавлен метод Прони. Суть данного метода в разрабатываемой системе мониторинга заключается в восстановлении поврежденных данных.
Следующим этапом выполнения ВКР являлась проверка всех выбранных математических моделей для анализа данных амплитудно-частотной характеристики. Для этого необходимо было представить результаты экспериментов, в данном случае осциллограммы в виде численных таблиц, в которых отражаются значения частоты и амплитуды сигнала, генерируемого источником. Для реализации данного шага была взята программа «Easy Trace Free» версии 8.6. С помощью внутренних инструментов программы был сформирован Excel файл с численными данными осциллограмм полученных в ходе проведения опытов. Однако для продолжения дальнейшей работы над обработкой графиков необходимо было привести сгенерированные значения программой к тому виду, в котором было бы удобно производить анализ. Из-за своих особенностей программа выставляет произвольную нулевую координату на графике, ввиду этого первым шагом стало выставление действительной нулевой координаты. После выставление нулевой координаты следующим выполненным шагом стало приведение полученных данных в относительных единицах измерения к необходимым. Конкретно при обработке осциллограммы, представленной на рисунке 23 в качестве единиц измерения использовались пиксели.
После обработки полученных осциллограмм в процессе выполнения опытов на исследуемом трансформаторе необходимо было проверить выбранные математические модели на предмет соответствия поставленным задачам. В качестве основного инструмента проверки моделей был выбран язык программирования Python. Составление кода производилась в текстовом редакторе «Visual Studio Code». Для написания кода, выполняющего алгоритм по анализу и обработке данных измерений, были выбраны библиотеки: библиотека «Plotly» - визуализация данных; библиотека «NumPy» позволяет работать с математическими функциями и операциями; библиотека «SciPy» предназначена для инженерных вычислений. Является расширенной версией библиотеки «NumPy»; Библиотека «pandas» является низкоуровневой частью библиотеки «NumPy», предназначена для работы с файлами типа BigData. Предоставляет возможность работать таблицами и временными рядами; библиотека «Matplotlib» предназначена для построения двумерных и трехмерных графиков; библиотека «PyWavelets» предназначена для Вейвлет преобразования. Далее был реализован сам код.
Обработав результаты экспериментов, написав код далее был составлен алгоритм работы системы мониторинга. Принцип работы алгоритма заключается в его цикличности. Этапы, которые выполняются в процессе реализации алгоритма постоянно повторяются, что позволит добиться максимальной точности и эффективности его работы. Первым этапом создания алгоритма является формирование базы данных о повреждениях и изменении параметров тока для конкретного трансформатора, под который будет реализована данная система. После создания базы данных необходимо написать код, который будет реализовывать весь вышеописанный функционал разрабатываемой системы мониторинга. Далее написанную программу необходимо загрузить в программируемый логический контроллер и ввести в эксплуатацию. В целях повышения эффективности работы алгоритма данные, которые регистрирует контроллер используются для обновления программного обеспечения и его улучшения. Как было сказано выше, автоматизированная система управления технологическим процессом помимо определения вида дефекта должна прогнозировать срок времени работы трансформатора в зависимости от выявленной неисправности. Подобное условие при разработке предиктивной системы мониторинга трансформатора является одним из самых сложных ввиду необходимости создания базы данных содержащую информацию об изменении параметров работоспособности трансформатора от типа дефекта его конструкции.
Далее были определены протоколы связи, по которым будет передаваться информация между уровнями. При разработке системы раннего определения анормального и аварийного режимов работы силового трансформатора по амплитудно-частотной характеристике в режиме «on-line» главной задачей являлось проработать полевой и третий уровни АСМИД. Поскольку данный метод находится только на стадии изучения и на практике широкое распространение получил только метод анализа магнитной системы трансформатора на выключенном от сети устройстве по АЧХ, то полноценных стандартов к таким системам мониторинга на сегодняшний день не прописано. Ввиду этого необходимо было продумать схемы подключения измерительного оборудования и протоколы связи, по которым будет передаваться информация между уровнями АСМИД. Таким протоколом связи стал RS-485.

Купить