УДК 621.312
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЛЭП 110 КВ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКОВ И ВИДОВ ЕЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНОЙ СРЕДЫ SCILAB
Воробьев Н.П., Попов А.Н., Кааль Р.В.
Российская Федерация, г. Барнаул,
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Рассмотрены вопросы определения технического состояния ВЛЭП 110 кВ на основе нечеткой логики. Предложено использование программной среды Scilab для определения показателя технического состояния ВЛЭП. Приведены результаты определения показателя технического состояния ВЛЭП 110 кВ и остаточного ресурса применительно к интервалу текущих ремонтов.
Ключевые слова: техническое состояние, воздушная линия электропередач, ВЛЭП, нечеткая логика, влияющие факторы, система нечеткого логического вывода, остаточный ресурс.
Техническое состояние (ТС) сложных изделий, таких как воздушные линии электропередач (ВЛЭП), очень важный технико-экономический показатель. Он характеризует соответствие или несоответствие объекта установленным требованиям и стандартам.
В процессе эксплуатации ТС ВЛЭП ухудшается в результате внешних воздействий, режимов и условий работы, увеличивается вероятность возникновения отказов [1] из-за коррозии на опорах, ухудшения состояния фундаментов от эрозии, вымывания, увлажнения и сезонных циклов заморозки и размораживания, из-за старения проводов, изоляторов от климатических воздействий [2]. Необходимо разрабатывать новые способы технической диагностики ВЛЭП, позволяющие прогнозировать возможность дальнейшей эксплуатации линий электропередач, оценивать остаточный ресурс (ОР) работы.
Прогнозирование ТС и ОР ВЛЭП
Прогнозирование ТС и ОР ВЛЭП в условиях неопределенности исходных данных целесообразно на основе аппарата нечёткой логики и теории нечётких множеств. При этом неопределённые влияющие факторы характеризуются функциями принадлежности на основе опросов экспертов или с использованием результатов приборных исследований.
При работе с нечёткой логикой возникает потребность в переходе к иерархической структуре нечёткой базы знаний.
Вопросам определения ТС ВЛЭП и их ОРР не уделяется должного внимания ни в России, ни за рубежом. Причин этому много – это и наличие нескольких классов напряжения, и сложность проведения натурных экспериментов на ВЛЭП, и наличие разнородных влияющих факторов, и нескольких видов технического обслуживания (ТО) ВЛЭП, и различных временных интервалов проведения ТО, и характерных дефектов и повреждений элементов, для которых невозможно установить критерии, и отсутствие приборов контроля.
В связи с изложенным было решено ограничиться определением ТС ВЛЭП 110 кВ,
использовать систему нечеткой логики для определения ТС и ОР ВЛЭП, при определении ОР было решено ограничиться текущим ремонтом (ТР), который повторяется раз в 6 лет.
Число влияющих факторов при определении ТС и ОР ВЛЭП 110 кВ также ограничили на уровне 25. Поскольку влияющие факторы согласно технической документации могут быть как числами, так и словами (термами) было решено разрабатывать систему нечеткого логического вывода таким образом, чтобы влияющие факторы могли иметь как численный характер, так и определяться в виде термов.
В настоящее время среди документов, определяющих ТС ВЛЭП, имеются директивные документы, в которых определены контролируемые параметры. Методы, приборы, используемые для определения ТС, есть в этих же документах[2, 3].
Поскольку обследование ВЛЭП проводится, в основном, для элементов, определенных в таблице 1,
Таблица 1 – Обследуемые элементы ВЛЭП и весовые коэффициенты влияющих факторов, приведенные к наибольшему значению
Обследуемые элементы ВЛЭП
|
Весовые коэффициенты влияющих факторов, приведенные к наибольшему значению[3]
|
опоры (фундаменты; оттяжки опор; заземляющие устройства; габаритные параметры)
|
1
|
провода
|
0,75
|
грозозащитные тросы
|
0,25
|
линейная изоляция
|
0,175
|
арматура
|
0,075
|
то в такой же последовательности нами классифицированы и влияющие факторы для системы нечеткого логического вывода.
Основной принцип определения ТС ВЛЭП основан на сравнении дефектов, выявленных при осмотре, с требованиями ГОСТов, СНиПов[3, 4, 5], а потому определение ОР ВЛЭП остается за рамками этого принципа. Обследование положено проводить минимум для 10% длины участков линии, находящихся в пределах одной природной зоны и выборочно, основываясь на указаниях эксплуатирующего персонала. Линия проверяется на предмет соответствия параметрам, указанным в [5].
Структура нечеткого логического вывода ТС и ОР ВЛЭП 110 кВ
На основе исследования влияющих факторов нами разработана иерархическая структурная схема нечеткого логического вывода для оценки ТС ВЛЭП 110 кВ и определения ее ОР применительно к интервалу ТР, приведенная на рисунке 1, где:
- Х1 - Нарушение сопряжения опор с фундаментом (0 – отлично (v); 0,125 – хорошо (s); 0,25 - плохо (n)).
- Х2 - Отклонение оси опоры от вертикальной оси вдоль и поперек ВЛЭП (Δh = 0 – отлично (v); Δh ≤ 0,0025 – хорошо (s); Δh ≤ 0,005 опоры – плохо (n)).
- Х3 - Толщина цинкового покрытия стальных элементов (не менее 120 мкм – отлично (v);
не менее 60 мкм – хорошо (s); 0 мкм – плохо (n)).
- Х4 - Прогиб поясных уголков и сжатых элементов решетки (f/l = 0 – отлично (v); f/l ≤ 0,00066 – хорошо (s); f/l≤ 0,00132– плохо (n)).
- X5 - Местное ослабление поперечного сечения элемента (η≥1 – отлично (v); η≥0,9 – хорошо (s); η≥0,8 – плохо (n)).
- X6 - Отклонение оси траверсы от горизонтальной оси. (Отношение длины изгиба к длине траверсы при длине траверсы 10 м: 0 – отлично (v); 0,5 – хорошо (s); 1 – плохо (n)).
- X7 - Прогибы металлических конструкций опор. (Отношение длины изгиба к длине конструкции: 0 – отлично (v); 0,0016 хорошо (s); 0,0032 плохо (n)).
- X8 - Прогибы металлических конструкций. (Lизг/lконстр: 0 – отлично (v); 0,0007 – хорошо;
0,0014 – плохо (n)).
- X9 - Язвенная коррозия металлоконструкций. (Sфакт/Sпроект: для несущих элементов
1 – отлично (v); 0,95 хорошо (s); 0,9 – плохо (n)).
- X10 - Язвенная коррозия металлоконструкций . (Для не несущих элементов: 1 - отлично (v); 0,9 – хорошо (s); 0,8 - плохо (n)).
- X11 - Язвенная коррозия металлоконструкций . (Для косынок: 1 - отлично (v); 0,85 – хорошо (s); 0,7– плохо (n)).
X1–X25 – влияющие факторы; S_1_14 – логическая свертка, соответствующая техническому состоянию опор; S_15_18 – логическая свертка, соответствующая техническому состоянию проводов; S_18_20 – логическая свертка, соответствующая техническому состоянию тросов; S_21_ 22 – логическая свертка, соответствующая техническому состоянию изоляторов; S_23_25 – логическая свертка, соответствующая техническому состоянию арматуры; q1 - показатель ТС ВЛЭП 110 кВ; q - ОР ВЛЭП 110 кВ; N - нормализатор
Рисунок 1 – Иерархическая структурная схема нечеткого логического вывода для оценки ТС ВЛЭП 110 кВ и определения ее ОР применительно к интервалу ТР
- X12 - Потеря сечения металлических элементов опоры. (Sфакт/Sпроект: для несущих элементов: 1 — отлично (v); 0,95 – хорошо (s); 0,9 — плохо (n)).
- X13 - Потеря сечения металлических элементов опоры. (Для не несущих элементов: 1 – отлично (v); 0,9 – хорошо (s); 0,8 — плохо (n)).
- X14 - Потеря сечения металлических элементов опоры. (Для косынок: 1 – отлично (v); 0,85 – хорошо (s); 0,7 — плохо (n)).
- X15 - Превышение сопротивления контактного соединения провода относительно сопротивления целого участка той же длины. (Отношение сопротивления контактного соединения к сопротивлению исправного участка той же длины: 1 – отлично (v); 1,5 – хорошо (s); 2 – плохо (n)).
- X16 - Уменьшение площади сечения проводов . (0% - отлично (v); 17% – хорошо (s); 34% - плохо (n)).
- X17 - Несоответствие установки гасителя вибрации проектному положению. (В мм относительно фактической длины от места установки гасителя: 0 – отлично (v); 12,5 – хорошо (s); 25 – плохо (n)).
- X18 - Уменьшение площади сечения тросов. (0% - отлично (v); 17% – хорошо (s); 34% - плохо (n)).
- X19 - Изменение тяжения в тросовых и стержневых оттяжках промежуточных опор при отсутствии ветра. (Изменение тяжения не более 20% от проектного: 0,07 - отлично (v); 0,14 - хорошо (s); 0,2 - плохо (n)).
- X20 - Уменьшение поперечного сечения троса оттяжки. (η=Sфакт/Sпроект: η≥1 – отлично (v); η≥0,9 – хорошо (s); η≥0,8 – плохо (n)).
- X21 - Сопротивление изоляторов. (10000 МОм – отлично (v); 5000 МОм – хорошо (s); 300 Мом – плохо (n)).
- X22 - Механическая прочность материала изолятора . (120 кН – отлично (v); 60 кН – хорошо (s); 0 – плохо (n)).
- X23 - Износ шарнирных соединений арматуры. (Износ Рфакт/Рпроект : 1 - отлично (v); 0,95 - хорошо (s); 0,9 – плохо (n)).
- X24 - Уменьшение площади опасных сечений арматуры. (Sфакт/Sпроект: 1 – отлично (v);
0,9 – хорошо (s); 0,8 — плохо (n)).
- X25 - Потеря сечения анкерных конструкций. (Sфакт/Sпроект: 1 – отлично (v); 0,75 – хорошо (s); 0,5 – плохо (n)).
Рассматриваются только металлические опоры ВЛЭП 110 кВ. Приведенные данные относятся к ТР. Выделенные желтым цветом термы относятся к модельному эксперименту.
Показатель ТС формируется в системе нечеткого вывода sugeno_tip_calculator_q.
При этом на основе интервалов значений измеренных влияющих факторов формируется входной вектор Х = {X1, …, X25}.
Вектор, в свою очередь, направляется в систему нечеткого логического вывода, на выходе которой получают показатель технического состояния ВЛЭП 110 кВ q1 и остаточный ресурс ВЛЭП 110 кВ q.
В связи с отсутствием информации о законах распределения факторов технического состояния для их лингвистической оценки использованы 5 термов треугольной функции распределения (рисунок 2).
Разработанная система нечеткой логики Vlep_110_kV позволяет использовать нечеткие и четкие входные величины:
n – низкий (0),
ns – ниже среднего (2,5),
s – средний (5),
vs – выше среднего (7,5);
v - высокий (10) (рисунок 2).
Приведение показателя ТС от диапазона 0-10 к диапазону 0-6 осуществляется с помощью нормализатора Normalizator в формате Scilab (рисунок 3) и позволяет перейти к ОР ВЛЭП.
Нормализатор Normalizator позволяет также перейти к определению ТС ВЛЭП 110 кВ и ОР применительно к любому текущему значению влияющих факторов Х1-Х25. Для этого достаточно лишь ngd1 и vgd1 заменить на соответствующие нижние и верхние значения влияющего фактора, а ngd2 и vgd2 соответственно заменить на 0 и 10.
Рисунок 2 – Редактор функций принадлежности нечетких термов (n, ns, s, vs, v) для sugeno_tip_calculator_1.fis
ngd1 – нижняя граница диапазона 1, ngd2 – нижняя граница диапазона 2, vgd2 – верхняя граница диапазона 2, ngd2 – нижняя граница диапазона 2, rez_v_d1 - результат, полученный в диапазоне 1, rez_v_d2 - результат, полученный в диапазоне 2
Рисунок 3 – Листинг нормализатора в формате «Scilab»
Для получения результатов нечеткого вывода ({X1, X2} → S_1_2 – по рисунку 1) по заданным влияющим факторам используются разработанные нами нечеткие базы знаний типа Sugeno (рисунок 4). Базы знаний Sugeno одинаковы для всех систем нечеткой логики, поскольку обеспечивают наибольшую линейность формирования выходных логических сверток (для примера на рисунке 5 приведен вид получающейся при этом зависимости величины S_1_2 от X1 и X2). При этом значения влияющих на техническое состояние факторов связаны логической функцией «ИЛИ», весовой коэффициент соответствующего правила равен 1.
Преобразование информации влияющих на состояние ВЛЭП 110 кВ факторов (X1-Х25) к q по рисункам 1, 2, 3, 4 происходит следующим образом:
- производится измерение влияющих факторов, влияющих на ТС ВЛЭП 110 кВ;
- полученные значения факторов X1 – Х25 вводят в соответствующие строки файла sugeno_tip_demo1;
- в командном окне «Scilab» запускают на исполнение программу sugeno_tip_demo1 и с использованием функций принадлежности (рисунок 2), предварительно подобранных для каждого фактора с X1 по X25, с участием фаззификатора, машины нечеткого логического вывода, дефаззификатора, разработанных нечетких баз знаний (рисунок 4) и разработанного блока нормализатор Normalizator (рисунок 3), в результате нечеткого логического преобразования значений влияющих факторов X1 по X25 в командном окне Scilab получают ОР ВЛЭП 110 кВ в виде q (в годах), приведенный к интервалу ТР.
Рисунок 4 - Нечеткая база знаний типа Sugeno (для sugeno_tip_calculator_1.fis)
Рисунок 5 – Вид зависимости промежуточной логической свертки S_1_2 от X1 и X2
Оценка состояния ВЛЭП 110 кВ осуществляется на основе объединения частных выводов о состоянии ее элементов и выполняется с использованием базы знаний, в которой все правила сформулированы на основе экспертных знаний и результатов измерений параметров ВЛЭП.
Для моделирования многомерных зависимостей "входы - выход" (влияющие факторы – оценка ТС применительно к ВЛЭП 110 кВ) целесообразно использовать разработанную иерархическую систему нечеткого логического вывода, в которой выходная переменная одной базы знаний является входной для другой базы знаний. Предложенная в модели схема формирования базы знаний, отображающая иерархическую взаимосвязь между входными переменными (X1–X25) и выходной переменной q1, позволяет по результатам каждого обследования параметров электрооборудования ВЛЭП 110 кВ определить ТС ВЛЭП в диапазоне от 0 до 10 и дать оценку ОР q в пределах временного промежутка интервала ТР, то есть от 0 до 6 лет.
Результаты модельных экспериментов по определению ОР ВЛЭП 110 кВ
В результате выполнения алгоритма в командном окне Scilab получают q – значение ОР до ТР. На основе ОР принимаются решения либо о продолжении эксплуатации ВЛЭП, либо (на основе оценки и изменения промежуточных логических сверток) - о необходимости управления ТС ВЛЭП путем ремонта наиболее проблемных элементов.
Значение показателя ТС ВЛЭП 110 кВ (2,38), приведенного от диапазона 0–10 к диапазону 0–6 с помощью нормализатора, позволило перейти к ОР ВЛЭП: 1,43 года.
Разработанный метод применим только для только металлических опор ВЛЭП 110 кВ, а приведенные данные относятся к ТР, проводимому через 6 лет. В перспективе этот метод можно модифицировать и распространить для работы с линиями любых номинальных напряжений и любых видов ремонта ВЛЭП.
Список литературы
1. Современное состояние разработок в области определения остаточного ресурса асинхронных электродвигателей [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2017]. - Режим доступа: http://edu.secna.ru/media/f/epb_tez_2013.pdf. - Загл. с экрана.
2. Типовая инструкция по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35 - 800 кВ [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2017]. - Режим доступа: https://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/39/39443/. – Загл. с экрана.
3. Крылов С. Техническое состояние воздушных линий 35 КВ и выше. Методы обследования [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2017]. - Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh/2006/38/21.php. - Загл. с экрана.
4. Типовая программа технического освидетельствования электрооборудования электрических станций и сетей [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2017]. - Режим доступа: http://www.энергосайт.рф/_ld/3/396___.doc. - Загл. с экрана.
5. Методические указания по оценке технического состояния воздушных линий электропередачи напряжением 35-750 кВ и их элементов [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2017]. - Режим доступа: http://meganorm.ru/Data2/1/4293816/4293816092.pdf. – Загл. с экрана.
Воробьев Николай Павлович – д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры «Электрификация производства и быта» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова
Адрес: 6560056, г. Барнаул, ул. Чернышевского, д. 28 кв. 40,
Тел.: 8-961-9999-304, E-mail: vnprol51p@ya.ru
Попов Андрей Николаевич – канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова
Адрес: 656038, г. Барнаул, ул. Чкалова, 32-115,
Тел.: 8-903-910-05-04, E-mail: oleandr78@mail.ru
Кааль Роман Владимирович - магистрант, Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова,
Адрес: 656906, г. Барнаул, п. Плодопитомник, ул. Республиканская 10-1,
Тел.: +7 952 006 33 44, E-mail: kaalrom@mail.ru
________________________________________________________________________________
THE DEFINITION OF A TECHNICAL CONDITION OF HIGH-VOLTAGE TRANSMISSION LINE OF 110 KV WITH THE ABILITY TO PREDICT THE TIMING AND TYPES OF MAINTENANCE BASED ON THE SOFTWARE ENVIRONMENT SCILAB
Vorobyev N. P., Popov A. N., Kaal R. V.
Russian Federation, Barnaul,
Altai state technical University. I. I. Polzunov
The problems of determining the technical condition of high-voltage transmission line 110 kV on the basis of fuzzy logic. The proposed use of the Scilab software environment to determine the technical condition of high-voltage transmission line. The results of determining the measure of the technical condition of high-voltage transmission line of 110 kV and residual life in relation to the interval of current repairs.
Keywords: technical condition, air, power line, high-voltage transmission line, fuzzy logic, and factors influencing, system of fuzzy inference, the residual resource.
Bibliography
1. Sovremennoe sostoyanie razrabotok v oblasti opredeleniya ostatochnogo resursa asinhronnyih elektrodvigateley [Elektronnyiy resurs]. – Elektron. dan. – M., [2017]. - Rezhim dostupa: http://edu.secna.ru/media/f/epb_tez_2013.pdf. - Zagl. s ekrana.
2. Tipovaya instruktsiya po ekspluatatsii vozdushnyih liniy elektroperedachi napryazheniem 35 - 800 kV [Elektronnyiy resurs]. – Elektron. dan. – M., [2017]. - Rezhim dostupa: https://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/39/39443/. – Zagl. s ekrana.
3. Kryilov S. Tehnicheskoe sostoyanie vozdushnyih liniy 35 KV i vyishe. Metodyi obsledovaniya [Elektronnyiy resurs]. – Elektron. dan. – M., [2017]. - Rezhim dostupa: http://www.news.elteh.ru/arh/2006/38/21.php. - Zagl. s ekrana.
4. Tipovaya programma tehnicheskogo osvidetelstvovaniya elektrooborudovaniya elektricheskih stantsiy i setey [Elektronnyiy resurs]. – Elektron. dan. – M., [2017]. - Rezhim dostupa: http://www.energosayt.rf/_ld/3/396___.doc. - Zagl. s ekrana.
5. Metodicheskie ukazaniya po otsenke tehnicheskogo sostoyaniya vozdushnyih liniy elektroperedachi napryazheniem 35-750 kV i ih elementov [Elektronnyiy resurs]. – Elektron. dan. – M., [2017]. - Rezhim dostupa: http://meganorm.ru/Data2/1/4293816/4293816092.pdf. – Zagl. s ekrana.
Vorobyev Nikolay Pavlovich – doctor of technical Sciences, associate Professor, Professor of the Department "electrification of production and everyday life" Altai state technical University. I. I. Polzunov
Address: 6560056, Barnaul, street Chernyshevsky, d. 28 sq 40,
Tel: 8-961-9999-304, E-mail: vnprol51p@ya.ru
Popov Andrey Nikolaevich – candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department "power Supply of industrial enterprises" Altai state technical University. I. I. Polzunov
Address: 656038, Barnaul, Chkalova, 32 - 115,
Tel: 8-903-910-05-04, E-mail: oleandr78@mail.ru
Kaal Roman Vladimirovich - graduate student, Altai state technical University. I. I. Polzunov,
Address: 656906, Barnaul, p. plodopitomnik, street Republican 10-1,
Tel: +7 952 006 33 44 E-mail: kaalrom@mail.ru
|
