А. М. Газалиев ректор, академик нан рк, д

 
3  2015 
79 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Раздел 5 
 
Автоматика. Энергетика.  
Управление 
 
 
 
 
 
УДК 621.315.6:554.510.42 
 
Концептуальный подход к построению 
распределённой «смарт-грид» системы 
высоковольтных линий электропередач 
(часть 1) 
 
И.В. БРЕЙДО, д.т.н., профессор, зав. кафедрой, 
Ю.Ф. БУЛАТБАЕВА, ассистент,  
С.В. ВОЙТКЕВИЧ, ст. преподаватель, 
В.В. КАВЕРИН, к.т.н., доцент, 
Б.Н. ФЕШИН, д.т.н., профессор, 
Карагандинский государственный технический университет, кафедра АПП 
 
Ключевые  слова:  высоковольтные  линии, электропередача,  опора,  защита,  коррозия,  обледенение,  мони-
торинг, помехи, достоверность, информация, моделирование, статистика, оценка, прогноз. 
 
Введение 
В рамках госбюджетных НИР [1, 2] был раз-
работан  комплекс  защиты  и  диагностики  элементов 
высоковольтных  линий  электропередач  (ВЭЛП),  в 
дальнейшем  упоминаемый  как  «ЗАДИАГ».  Комплекс 
предназначен  для  защиты  и  диагностики  состояния 
элементов ВЛЭП, включая активную катодную защи-
ту для каждой опоры, системы диагностики величины 
токов утечки изоляторов и степень обледенения токо-
ведущих  проводов  с  последующим  сбором,  обработ-
кой  и  беспроводной  передачей  информации  на  дис-
петчерский  пункт.  Электропитание  составных  частей 
комплекса,  расположенных  на  опорах  ВЛЭП,  будет 
осуществляться от энергии электромагнитных полей. 
Функциональные  компоненты  комплекса  ЗА-
ДИАГ должны решать следующие задачи:  
● катушка  фильтра  будет  выполнять  функции  за-
щиты составных частей комплекса, расположенных на 
опоре  ВЛЭП  от  бросков  напряжения  в  грозотросcе, 
вызванных грозовыми разрядами; 
● блок питания предназначен для преобразования 
и согласования с параметрами нагрузки наведѐнного в 
грозотроссе  переменного  напряжения,  посредством 
электромагнитного  поля  токоведущих  проводов 
ВЛЭП,  для  питания  подсистем,  расположенных  на 
опоре; 
● подсистема  телеметрии  выполняет  функции  пе-
редачи информации, полученной от информационных 
датчиков  катодной  защиты,  подсистемы  контроля 
токов  утечки  подвесных  изоляторов,  а  также  подси-
стемы  контроля  обледенения  токоведущих  проводов 
ВЛЭП; 
● подсистема  контроля  токов  утечки  подвесных 
изоляторов предназначена для определения величины 
токов утечки, измеряемых датчиком тока;  
● подсистема катодной защиты предназначена для 
создания  отрицательного  потенциала  на  защищаемом 
металлическом элементе конструкции крепления опо-
ры ВЛЭП, расположенном под землѐй, благодаря чему 
существенно повышается срок его службы; 
1. 

 
80 
Труды университета 
 
● подсистема контроля обледенения токоведущих 
проводов ВЛЭП предназначена для контроля гололед-
ной  нагрузки  на  проводах  и  грозозащитных  тросах 
линий электропередачи; 
● подсистема  визуализации  и  хранения  информа-
ции, которая выполняет следующие функции: 
а) мониторинг  параметров  токов  утечек  высоко-
вольтных изоляторов в режиме реального времени; 
б) мониторинг параметров катодной защиты в ре-
жиме реального времени; 
в) мониторинг  обледенения  высоковольтных  про-
водов в режиме реального времени;  
г) оповещение оператора об аварийных ситуациях 
в режиме реального времени, с последующим архиви-
рованием событий; 
д) представление  измеряемых  показаний  в  графи-
ческой форме; 
е) генерация отчетов по измеряемым параметрам. 
2. Постановка задач и цели исследований 
Этапом настоящего года является НИР: «Создание 
распределѐнной 
помехоустойчивой 
«смарт-грид» 
системы  контроля  состояния  опор  ВЛЭП  с  использо-
ванием  комбинированных  методов  передачи  инфор-
мации». 
Разрабатываемая  система  предназначена  для  пе-
редачи  телеметрической  информации  от  устройства 
сбора  и  обработки  параметров,  расположенного  на 
опоре ВЛЭП, на диспетчерский пункт с целью органи-
зации  текущего  контроля  состояния  элементов  опор 
ВЛЭП и параметров системы катодной защиты метал-
лических  элементов  конструкции  опор,  расположен-
ных под землѐй. 
Есть смысл оценить состояние объекта исследова-
ния,  определяющее  сложность  и  перспективы  решае-
мой  в  НИР  проблемы.  Основные  свойства  и  характе-
ристики  объектов  исследования  –  опор  ВЛЭП,  кото-
рые целесообразно учитывать, связаны:  
1) с  количеством  и  рассредоточенностью  опор 
ВЭЛП (целочисленные параметры ВЛЭП: m, l, k…); 
2) физико-химическими  параметрами  почвы  в ме-
стах установки каждой опоры ВЛЭП (вектор P1); 
3) мгновенными  и  среднесуточными  параметрами 
атмосферных  явлений  в  местах  установки  каждой 
отдельной опоры ВЛЭП (вектор P2);  
4) фактическими  и  прогнозными  параметрами  ат-
мосферных  явлений  в  направлении  передачи  потоков 
мониторинговой информации (вектор P3); 
5) географическими  координатами  и  высотами 
каждой опоры ВЛЭП (вектор P4); 
6) электротехническими  параметрами,  определя-
ющими нагрузку ВЛЭП (вектор P5); 
7) электротехническими  параметрами,  определя-
ющими  электромагнитное  состояние  в  пределах  опо-
ры ВЛЭП (вектор P6); 
8) априорной  информацией  геоинформационных 
баз данных в местах установки отдельных опор ВЛЭП 
(вектор P7); 
9) техническими  данными  конструкций  опор 
ВЛЭП (вектор P8); 
10) технико-экономическими 
возможностями 
предприятия-владельца  ВЛЭП  при  создании  распре-
делѐнной  помехоустойчивой  «смарт-грид»  системы 
контроля  состояния  опор  ВЛЭП  с  использованием 
комбинированных методов передачи информации.  
Предположим,  что  существует  возможность  реа-
лизовать  максимально  благоприятный  Вариант  1 
«смарт-грид»  системы,  в  котором  на  каждой  опоре 
ВЛЭП установлен комплекс ЗАДИАГ и с каждой опо-
ры получен полный поток телеметрической информа-
ции. В реальной жизни, очевидно, будут наблюдаться 
ситуации,  когда  свойства  и  характеристики  1,….,  10 
не  позволяют  в  полной  мере  реализовать  функции 
комплексов  «ЗАДИАГ».  Необходимо  формализовать 
варианты возможных ситуаций, определить достовер-
ность  получаемого  потока  информации  DI  и  принци-
пы  построения  «смарт-грид»  системы,  позволяющие 
повысить  эту  достоверность  до  приемлемого  уровня. 
Сформулируем  множество  возможных  вариантов 
«смарт-грид»  системы  путем  ухудшения  свойств  и 
характеристик Варианта 1.  
Вариант  2.  Комплексы  «ЗАДИАГ»  установлены 
на половине опор ВЛЭП (через одну). 
Вариант  3.  Комплексы  «ЗАДИАГ»  установлены 
на четверти опор ВЛЭП (через две). 
Вариант  4.  Комплексы  «ЗАДИАГ»  установлены 
на k опорах ВЛЭП, причем k на много меньше n (где n 
–  общее  количество  опор  ВЛЭП,  а  место  установки 
определено  экспертами-специалистами  по  электропе-
редаче электрической энергии).  
Вариант  5.  Комплексы  «ЗАДИАГ»  установлены 
на  r  опорах  ВЛЭП,  причем  количество  r  меньше  n,  а 
места  установки  связаны  с  факторами,  не  являющи-
мися определяющими для эффективной эксплуатации 
комплексов «ЗАДИАГ» (например, удобство установ-
ки комплексов на  m подряд стоящих  опорах ВЛЭП и 
т.п.). 
Вариант  6.  Определены  зоны  на  трассе  ВЛЭП, 
связанные с геодезическими и географическими коор-
динатами  ВЛЭП,  в  которых  наблюдаются  помехи  в 
получении и передаче телеметрической информации с 
коэффициентом  влияния  (подавления  сигналов  –  от 
минимума (kв = 0), до максимума (kв = 1.0). Причем в 
рассматриваемых зонах процесс подавления полезной 
информации является стохастическим. 
Вариант 7. Существует вероятность появления ат-
мосферных помех, существенно влияющих на состоя-
ние  опор  ВЛЭП  (в  частности,  на  процессы  обледене-
ния и старения конструкций опор). Процесс появления 
подобных  атмосферных  воздействий  может  быть 
предсказан  по  косвенным  признакам  с  определенной 
степенью достоверности. 
Вариант  8.  Существует  вероятность  случайного 
и/или  закономерного  изменения  нагрузки  ВЛЭП  и 
соответствующего  изменения  электромагнитнитных 
полей  в  пределах  опор  и  высоковольтных  проводов 
ЛЭП.  Соответственно  могут  измениться  параметры 
устройств  электропитания  блоков  комплексов  «ЗА-
ДИАГ». 
Возможны  сочетания  факторов,  определяющих 
ситуации,  накладываемые  на  объекты  исследования, 
т.е.  комбинации  типа:  Вариант  1.8,  Вариант  2.7…,  а 
полный  набор  вариантов  состояний  в  двумерном 
и/или  трехмерном  пространствах  определится  дву-
мерными и трехмерными матрицами (8х8 и 8х8х8), в 

Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление» 
3  2015 
81 
 
которых  необходимо  будет  исключить  технически 
нереализуемые комбинации.  
Задачу  построения  матриц  состояний  «смарт-
грид»  системы  оставим  до  момента  более  полной 
формализации  проблемы,  для  чего  далее  рассмотрим 
возможные  пути  оценки  и  прогноза  фактического 
состояния  конструкций  опор  ВЛЭП  в  произвольно 
выбранные моменты времени. Очевидно, что должны 
быть известны первоначальные проектные и фактиче-
ские,  на  момент  анализа,  характеристики  состояния 
конструкций опор.  
Такими  характеристиками  могут  быть:  период 
проектной  работоспособности  i-ой  конструкции  опо-
ры  ВЛЭП  Ti  (часто  называемой  долговечностью,  в 
месяцах  или  годах  эксплуатации);  период  эксплуата-
ции  Tэi  конструкции  опоры;  ресурс  работоспособно-
сти конструкции опоры, определяемый в первом при-
ближении как разность Ri = Ti – Tэi. Стохастичность 
параметров Ti, Tэi, Ri существенно зависит от Р1, Р2, 
Р3, Р5, Р7 и Р8. 
В  последующих  исследованиях  используются  по-
ложения по разработке информационно-управляющей 
технологии в [3, 4], а также теоретические положения 
фундаментальных исследований [5, 7]. 
В  работах  [6,  8]  установлено,  что  надежность  и 
долговечность  машин  и  конструктивных  элементов 
зависит  от  интенсивности  динамических  процессов, 
происходящих в них, а применительно к конструктив-
ным  элементам  опор  ВЛЭП  –  от  электрохимических 
процессов,  происходящих  в  металлических  конструк-
циях  и  приводящих  к  коррозии  этих  конструкций. 
Предположим,  что  существуют  зависимости  в  виде 
функционалов надежности конструктивных элементов 
опор  ВЛЭП  –  J
δ

  (σ
N
,  Т
Д
,  Р1,  Р2,  Р3,  Р5,  Р7,  Р8),  и 
долговечности 
Д
T
J
  (σ
N
,  Т
Д
,  Р1,  Р2,  Р3,  Р5,  Р7,  Р8), 
определенные соответственно как:  
J
δ

 – зависимость вероятности безотказной работы 
конструктивного  элемента  опор  ВЛЭП  на  период 
времени  между  двумя  капитальными  ремонтами  от 
множества варьируемых факторов  Р1, Р2, Р3, Р5, Р7, 
Р8; 
Д
T
J
  –  как  зависимость  периода  времени  (лет,  ча-
сов), в продолжение которого, с вероятностью не ме-
нее  σ
Nmin
,  конструктивный  элемент  опор  ВЛЭП  будет 
находиться в работоспособном состоянии и не потре-
бует капитальных ремонтов. 
Экономически и технически достаточным являет-
ся  обеспечение  установленных  проектных  уровней 
надежности σ
Nn
 и долговечности 
n
Д
Т  конструктивных 
элементов [6, 11]. Исходя из этой установки, возмож-
ные диапазоны изменения 
N
J

 и 
Д
T
J
 равны 
 
min
1
,
г
п
д
эр
N
N
N
д
т
д
J
Т
J
Т





 




 
(1) 
где 
эр
д
Т  – период экономически окупаемой долговеч-
ности конструктивного элемента опоры ВЛЭП,  
σ
Nmin
 – минимально возможный уровень надежно-
сти конструктивного элемента опоры ВЛЭП (на 
грани риска работы). 
Пока  отсутствуют  аналитические  зависимости 
функционалов типа 
n
J

 и 
Д
T
J
 от множества варьиру-
емых  факторов  {Р1,  Р2,  Р3,  Р5,  Р7,  Р8},  но  если  ка-
ким-либо  способом,  удастся  определить  фактические 
значения σ
N
 и Т
Д
 для конкретных условий работы опор 
ВЛЭП,  то  эти  значения  могут  быть  использованы  с 
целью  прогнозирования  состояния  и  необходимых 
режимов  работы  конструктивных  элементов  опор, 
обеспечивающих  сохранение  σ
N
  и  Т
Д
  на  уровне 
σ
N 
≥
 
σ
Nmin
,  Т
Д 
≥
 
Т
Дэр
.  В  последующем  отдельные  значе-
ния σ
N
, Т
Д
, в функции от существующих для них усло-
вий  эксплуатации,  могут  быть  аппроксимированы  и 
использованы  в  смарт-грид  системе  контроля  состоя-
ния опор ВЛЭП. 
Рассмотрим методику [6] оценки работоспособно-
сти конструкций машин, с целью разработки техноло-
гии  косвенной  оценки  работоспособности  конструк-
тивных элементов опор ВЭЛП. 
Предположим,  что  для  анализируемой  конструк-
ции  какой-либо  машины  на  конкретный  момент  вре-
мени  известно  значение  установленного  уровня 
надежности  σ
N
  и  наработанного  ресурса  Т
д
.  Если  ма-
шина  новая,  то 
n
N
N



, 
п
Д
Д
T
Т

.  Для  машины, 
прошедшей  некоторый  период  эксплуатации,  надеж-
ность  не  может  быть  более  проектной,  то  есть: 
n
N
N



,  а  долговечность  уменьшается  на  время, 
равное  периоду  эксплуатации 
р
Д
Т
  (наработанному 
ресурсу): 
.
п
p
Д
Д
Д
T
Т
Т


 
В  работах  [6,  11]  установлено,  что  надежность  и 
долговечность  машин  зависит  от  интенсивности  ди-
намических  процессов,  происходящих  в  редукторах, 
электроприводах и в конструктивных оболочках (кор-
пусах) машин. 
Если  каким-либо  способом  удастся  определить 
фактические значения σ
N
 и Т
Д
 для конкретных условий 
работы машин, то эти значения могут быть использо-
ваны  с  целью  прогнозирования  режимов  их  работы, 
обеспечивающих  сохранение  σ
N
  и  Т
Д
  на  уровне 
σ
N 
≥
 
σ
Nmin
,  Т
Д 
≥
 
Т
Дэр
.  В  последующем  отдельные  значе-
ния σ
N
, Т
Д
, в функции от существующих для них усло-
вий  эксплуатации,  могут  быть  аппроксимированы  и 
использованы в системах управления типа смарт-грид. 
Воспользуемся  предлагаемым  в  [6]  косвенным 
подходом,  позволяющим  устанавливать  связь  между 
долговечностью  машины  и  результатами  управления 
ее динамической нагруженностью. 
Расчетное  значение  долговечности  Т
д
  вращаю-
щихся  деталей  трансмиссии  машин,  обладающих  за-
данной вероятностью безотказной работы σ
N
, устанав-
ливается зависимостью [8] 
 
max
min
(1/ )
1
,
(
)
q
o
э
д
M
q
M
N М
Т
M W M dM





 
(2) 
где N
о
 – базовое число циклов нагружения для мате-
риала детали с учетом ее термообработки, техно-
логии изготовления, размеров и формы;  
M
max
 – максимальный расчетный момент;  
M
min
 – минимально возможное значение момента;  

 
82 
Труды университета 
 
ω – угловая скорость детали;  
q – показатель системы, отражающий наклон кри-
вой усталости;  
W(М) – плотность распределения вероятностей 
момента нагрузки;  
α
1
 – масштабный коэффициент для перерасчета Т
Д
 
в /час/. 
Условие эргодичности процессов, происходящих с 
конструктивными элементами машин [5, 6, 8], позво-
ляет считать справедливым следующее соотношение: 
 
max
min
1
(
)
( ) ,
M
т
q
q
M
о
M W M dM
M
t dt
T
 
  
 


 
(3) 
где Т – интервал усреднения, 
заменим  в  формуле  (2)  знаменатель  правой  частью 
формулы (3): 
 
(1/ )
1
0
.
1
(
)
( )
q
o
э
д
m
q
N М
Т
M
t dt
T





 
(4) 
Предположим,  что  в  памяти  (базе  данных)  УВК 
зафиксированы  исходные  (проектные  или  достигну-
тые на рассматриваемый момент времени) параметры 
отдельных  конструктивных  элементов  машин  σ
N
,  N
o
, 
M
max
 и эти значения имеют первоначально одинаковые 
значения для случаев, когда: 

 
конструктивный  элемент  (например,  машины 
или  опоры  ВЛЭП)  работает  в  номинальном  режиме 
эксплуатации (вариант А0); 

 
конструктивный  элемент  (например,  машин, 
или  опоры  ВЛЭП)  работает  в  режиме  отличном  от 
номинального (вариант А1); 

 
конструктивный  элемент  (например,  машин, 
или  опоры  ВЛЭП)  работает  в  режиме,  отличном  от 
вариант А1 (вариант А2). 
Приведем  сначала  последующие  размышления 
применительно  к  режимам  работы  конструктивных 
элементов машин. Так как их режим работы обуслов-
лен  случайным  характером  изменения  внешних  воз-
мущений, то переменные ω и М (в формулах (3), (4) и 
далее) в общем случае являются случайными процес-
сами. Характеристики таких процессов – это: матема-
тические ожидания; дисперсии; среднеквадратические 
отклонения;  корреляционные,  взаимокорреляционные 
и  спектральные  функции.  Если  удается  осуществить 
постоянный контроль (мониторинг) этих переменных, 
то появляется возможность прогнозировать состояние 
и,  возможно,  управлять  состоянием  конструктивных 
элементов  машин  (фактически  их  ресурсом  работо-
способности).  
Обозначим  значение  долговечности  конструктив-
ных элементов машин в вариантах А0, А1 А2, соответ-
ственно, 
0
,
д
Т
 
1
,
д
Т  
2
д
Т   и,  учитывая  (4),  определим 
отношения 
1
0
/
,
д
д
Т
Т
 
1
2
/
.
д
д
Т
Т  Опуская промежуточные 
выкладки, получим 
 

 

1
0
0
0
1
1
/
( )
( ) /
( )
( ) ,
д
д
Т
Т
t M t
t M t





 
(5) 
 

 

1
2
2
2
1
1
/
( )
( ) /
( )
( ) .
д
д
Т
Т
t M t
t M t





 
(6) 
Из  (5),  (6)  следует,  что  значения  долговечностей 
конструктивных  элементов  машин  с  различными  ва-
риантами режимов эксплуатации  обратно пропорцио-
нальны произведению угловых скоростей и моментов. 
Применительно  к  машинам  соотношения  (5)  и  (6) 
позволяют  решать  задачи  управления  динамической 
нагруженностью  и  ресурсом  конструктивных  элемен-
тов  машин  [6,  8]  путем  минимизации  среднеквадра-
тичных отклонений σω
1
(t), σм
1
(t) и σω
2
(t), σм
2
(t). 
В  настоящей  работе  мы  пытаемся  использовать 
подобные  соотношения  применительно  к  конструк-
тивным элементам опор ВЛЭП для косвенного (отно-
сительно варианта А0) прогнозирования фактического 
ресурса  конструктивных  элементов  опор  в  вариантах 
А1 и А2.  
После  некоторых  преобразований  могут  быть  по-
лучены  соотношения,  позволяющие  вычислить  фак-
тическую  долговечность  конструктивного  элемента 
(металлического  узла  крепления  опоры  ВЛЭП)  на 
момент  анализа  состояния  ВЛЭП.  Возможно,  эти  со-
отношения будут иметь следующий вид: 
 

 

1
2
2
2
1
1
/
( )
( ) /
( )
( ) ,
д
д
Т
Т
Iу t Uу t
Iу t Uу t



 
(7) 
 

 

1
0
0
0
1
1
/
( )
( ) /
( )
( ) .
д
д
Т
Т
Iу t Uу t
Iу t Uу t



 
(8) 
где Iуi(t)  –  ток  утечки  катодной  защиты  в  ti  момент 
времени;  
Uуi(ti)  –  потенциал  на  металлической  части  кон-
структивного элемента крепления опоры ВЛЭП.  
Аналогичные  соотношения  могут  быть  получены 
для высоковольтных изоляторов опор ВЛЭП. 
Методика  оценки  фактического  ресурса  крепле-
ния опор ВЛЭП и гирлянд изоляторов по соотношени-
ям типа (7) и (8) требует регистрации  токов  и потен-
циалов  по  каждому  конструктивному  элементу  каж-
дой опоры с последующим хранением их в базах дан-
ных  (БД)  с  целью  вычисления  фактического  ресурса 
контролируемых 
конструктивных 
элементов 
(устройств крепления и изоляторов) ВЛЭП.  
Определение  фактического  ресурса  конструктив-
ных  элементов  позволяет  сформировать  критерий 
технико-экономический  оценки  Ji  возможности  даль-
нейшей  эксплуатации  конструктивного  элемента  i-й 
опоры (в вероятностной интерпретации) и статистиче-
ские  оценки  возможных  потерь  в  случае  достижения 
критической  работоспособности  конструктивным 
элементом опоры (считаем, что потеря работоспособ-
ности  одним  конструктивным  элементом  является 
основанием для падения i-й опоры). 

жүктеу/скачать 6,19 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: