Συμβολή στην εκτίμηση λειτουργικής κατάστασης εξοπλισμού και εγκαταστάσεων υψηλών τάσεων (Υ.Τ.) με χρήση ειδικών μετρητικών συστημάτων και τεχνικών τεχνητής νοημοσύνης

Abstract

This PhD thesis aims to develop an innovative model for the assessment of the operational condition of high-voltage equipment, using artificial intelligence techniques and special measurement systems. In the context of this thesis emphasis is given on high voltage oil power transformers. The proposed model is based on a innovative measuring system of electric current and voltage with the possibility of analyzing harmonic and superharmonic components and additionally the possibility of telemetry. In order to fully document the need for the implementation of such a solution, a literature review is initially carried out (Chapter 1) in the individual scientific areas examined by this PhD thesis. The literature review concerns the critical high voltage equipment and its monitoring using special measurements. This equipment includes cables, insulators, switches, measuring transformers and high voltage oil power transformers. In addition, a literature review is conducted on the use of artificial intelligence techniques that have been applied to date and aim to assess the operational condition of oil power transformers. The phenomena that take place in high-voltage equipment and stress it are then examined (Chapter 2). The description of these phenomena is of great importance and should be included in the proposed model of this PhD thesis. For these reasons, the definitions of conductors and insulators and the ways of polarizing the materials are given. In addition, the losses in dielectrics are examined, the effect of the form of the applied electric field on dielectrics, the basic properties of electrical insulating materials are described as well as the mechanisms of the breakdown of insulating materials. The next chapter (Chapter 3) describes the main parts and categories of power transformers. They are categorized according to the basic insulating material, in proportion to the conservator, to the type of bushings and to the cooling method. The most critical and common failure points of oil power transformers, the types of measurements made on the various parts of the transformers and their acceptable limits are also presented. The chapter finally presents the main categories of partial discharges that occur in power transformers. Chapter 4 presents details, both theoretical and constructional, of the harmonic and supraharmonic analysis system developed and proposed. First, a brief literature review is made on corresponding measurement systems and harmonic analysis systems. Next is the confirmation of the existence of the supraharmonics through real measurements made in the context of this thesis. In the same chapter, the mathematical description of the Fourier transform and the algorithms commonly used for its fast calculation are presented. The sampling system and the importance of the sampling rate of harmonic analysis systems are also described, as well as the implementation of the system in both hardware and software terms. Finally, the chapter presents the results of the tests and a comparison is made with corresponding measurements made using certified laboratory equipment. In Chapter 5, a brief literature review to the scientific field of artificial intelligence and its subcategories is first made. The difference between artificial intelligence and machine learning is described and then the categories of machine learning are analyzed. In addition, the theoretical description of neural networks and their various structures is given, while the basic algorithm is described according to which the structure of the neural network, that was finally used, is optimized. The results of the specific algorithm and the final optimized structure of the neural network are presented, and finally, the description and analysis of another proposed classification system of partial discharges using harmonic analysis in the voltage waveform is described. In Chapter 6, which is also the last chapter of the PhD thesis, the conclusions are presented as well as some suggestions for future improvements.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη ενός καινοτόμου μοντέλου για την εκτίμηση της λειτουργικής κατάστασης εξοπλισμού υψηλής τάσης, με χρήση τεχνικών τεχνητής νοημοσύνης και ειδικών μετρητικών συστημάτων. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής δίνεται έμφαση στους μετασχηματιστές ισχύος ελαίου υψηλής τάσης. Το προτεινόμενο μοντέλο βασίζεται σε ένα καινοτόμο μετρητικό σύστημα ηλεκτρικών ρευμάτων και τάσεων με δυνατότητα ανάλυσης αρμονικών και υπεραρμονικών συνιστωσών και επιπλέον δυνατότητα τηλεμέτρησης. Προκειμένου να γίνει πλήρης τεκμηρίωση της ανάγκης υλοποίησης μιας τέτοιας λύσης γίνεται αρχικά (Κεφάλαιο 1) μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στις επιμέρους επιστημονικές περιοχές που εξετάζονται από την παρούσα διδακτορική διατριβή. Η βιβλιογραφική ανασκόπηση αφορά στον κρίσιμο εξοπλισμό υψηλής τάσης και στην παρακολούθησή του με χρήση ειδικών μετρήσεων. Ο εξοπλισμός αυτός συμπεριλαμβάνει τα καλώδια, τους μονωτήρες, του διακόπτες, τους μετασχηματιστές μέτρησης και τους μετασχηματιστές ισχύος ελαίου υψηλής τάσης. Επιπλέον, γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση στη χρήση των τεχνικών τεχνητής νοημοσύνης που έχουν εφαρμοστεί έως σήμερα και αποσκοπούν στην εκτίμηση της λειτουργικής κατάστασης των μετασχηματιστών ισχύος ελαίου. Στη συνέχεια εξετάζονται τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στον εξοπλισμό υψηλής τάσης και τον καταπονούν (Κεφάλαιο 2). Η περιγραφή αυτών των φαινομένων είναι εξαιρετικής σημασίας και θα πρέπει να συμπεριληφθούν στο προτεινόμενο μοντέλο της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Για τους λόγους αυτούς δίνονται οι ορισμοί των αγωγών και των μονωτών και οι τρόποι πόλωσης των υλικών. Επιπλέον εξετάζονται οι απώλειες στα διηλεκτρικά υλικά, η επίδραση της μορφής του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου σε αυτά ενώ, περιγράφονται οι βασικές ιδιότητες των ηλεκτρομονωτικών υλικών καθώς και οι μηχανισμοί ηλεκτρικής διάσπασής τους. Στο επόμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 3) γίνεται περιγραφή των βασικών τμημάτων και κατηγοριών των μετασχηματιστών ισχύος. Γίνεται η κατηγοριοποίησή τους ανάλογα με το βασικό μονωτικό υλικό, το σύστημα διαστολής, τον τύπο των μονωτήρων διέλευσης και τη μέθοδο ψύξης. Παρουσιάζονται επιπλέον τα κρισιμότερα και συνηθέστερα σημεία βλαβών των μετασχηματιστών ισχύος ελαίου, οι τύποι μετρήσεων που γίνονται στα διάφορα τμήματα των μετασχηματιστών και τα αποδεκτά τους όρια. Το κεφάλαιο τελειώνει με την παρουσίαση των βασικών κατηγοριών των μερικών εκκενώσεων που παρουσιάζονται στους μετασχηματιστές ισχύος. Στο Κεφάλαιο 4 δίνονται λεπτομέρειες, τόσο θεωρητικές όσο και κατασκευαστικές, σχετικά με το σύστημα ανάλυσης αρμονικών και υπεραρμονικών που αναπτύχθηκε και προτείνεται. Αρχικά γίνεται μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση σε αντίστοιχα μετρητικά συστήματα και συστήματα ανάλυσης αρμονικών. Έπεται η επιβεβαίωση της ύπαρξης των υπεραρμονικών μέσω πραγματικών μετρήσεων που έγιναν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μαθηματική περιγραφή του μετασχηματισμού Fourier και οι αλγόριθμοι που συνήθως χρησιμοποιούνται για τον γρήγορο υπολογισμό του. Περιγράφεται ακόμα το σύστημα δειγματοληψίας και η σημασία της ταχύτητας δειγματοληψίας των συστημάτων ανάλυσης αρμονικών, καθώς και η υλοποίηση του συστήματος τόσο από άποψη υλικού όσο και από άποψη λογισμικού. Τέλος, το κεφάλαιο παρουσιάζει τα αποτελέσματα των δοκιμών και γίνεται σύγκριση με αντίστοιχες μετρήσεις που έγιναν με χρήση πιστοποιημένου εργαστηριακού εξοπλισμού. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται αρχικά μια σύντομη βιβλιογραφική αναφορά στο επιστημονικό πεδίο της τεχνητής νοημοσύνης και στις υποκατηγορίες της. Περιγράφεται η διαφορά μεταξύ της τεχνητής νοημοσύνης και της μηχανικής μαθήσης ενώ στη συνέχεια αναλύονται οι κατηγορίες της μηχανικής μάθησης. Επιπλέον, δίνεται η θεωρητική περιγραφή των νευρωνικών δικτύων και των διαφόρων δομών τους, ενώ στη συνέχεια περιγράφεται ο βασικός αλγόριθμος σύμφωνα μετον οποίο βελτιστοποιείται η δομή του νευρωνικού δικτύου που τελικά χρησιμοποιήθηκε. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του συγκεκριμένου αλγόριθμου και η τελική βελτιστοποιημένη δομή του νευρωνικού δικτύου, και, τέλος, δίνεται η περιγραφή και ανάλυση ενός ακόμη προτεινόμενου συστήματος κατηγοριοποίησης των μερικών εκκενώσεων με χρήση ανάλυσης υπεραρμονικών στην κυματομορφή της ηλεκτρικής τάσης. Στο Κεφάλαιο 6, που είναι και το τελευταίο κεφάλαιο της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται τα συμπεράσματα καθώς και μερικές προτάσεις για μελλοντικές βελτιώσεις.