CONTRIBUŢII PRIVIND MANAGEMENTUL ECHIPAMENTELOR ELECTRICE ÎN CADRUL UNEI COMPANII DE ELECTRICITATE

Transcription

1 UNIVERSITATEA TEHNICĂ GHEORGHE ASACHI DIN IAŞI Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică Aplicată CONTRIBUŢII PRIVIND MANAGEMENTUL ECHIPAMENTELOR ELECTRICE ÎN CADRUL UNEI COMPANII DE ELECTRICITATE - REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT - Conducător de doctorat: Prof. univ. dr. ing. Maricel Adam Doctorand: Ing. Mihai Andruşcă IAŞI 2013

2 UNIVERSITATEA TEHNICĂ GHEORGHE ASACHI DIN IAŞI R E C T O R A T U L Către Vă facem cunoscut că, în ziua de la ora în, va avea loc susţinerea publică a tezei de doctorat intitulată: Contribuţii privind managementul echipamentelor electrice în cadrul unei companii de electricitate Elaborată de domnul ing. MIHAI ANDRUŞCĂ în vederea conferirii titlului ştiinţific de doctor. COMISIA DE DOCTORAT ESTE ALCATUITA DIN: 1. Prof.univ.dr.ing. Marcel Istrate preşedinte Universitatea Tehnică Gh. Asachi din Iaşi 2. Prof.univ.dr.ing. Maricel Adam conducător de doctorat Universitatea Tehnică Gh. Asachi din Iaşi 3. Prof.univ.dr.ing. Călin Munteanu membru Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca 4. Conf.univ.dr.ing. Doru Vătău membru Universitatea Politehnica din Timişoara 5. Prof.univ.dr.ing. Adrian Baraboi membru Universitatea Tehnică Gh. Asachi din Iaşi Vă trimitem rezumatul tezei de doctorat cu rugămintea de a ne comunica, în scris, aprecierile dumneavoastră. Cu această ocazie vă invităm să participaţi la susţinerea publică a tezei de doctorat.

3 Teza de doctorat a fost realizată cu sprijinul financiar al proiectului STUDII DOCTORALE PENTRU PERFORMANŢE EUROPENE ÎN CERCETARE ŞI INOVARE (CUANTUMDOC) POSDRU/107/1.5/S/ Proiectul STUDII DOCTORALE PENTRU PERFORMANŢE EUROPENE ÎN CERCETARE ŞI INOVARE (CUANTUMDOC) POSDRU/107/1.5/S/79407, este un proiect strategic care are ca obiectiv general Aplicarea de strategii manageriale, de cercetare şi didactice destinate îmbunătăţirii formării iniţiale a viitorilor cercetători prin programul de studii universitare de doctorat, conform procesului de la Bologna, prin dezvoltarea unor competenţe specifice cercetării ştiinţifice, dar şi a unor competenţe generale: managementul cercetării, competenţe lingvistice şi de comunicare, abilităţi de documentare, redactare, publicare şi comunicare ştiinţifică, utilizarea mijloacelor moderne oferite de TIC, spiritul antreprenorial de transfer al rezultatelor cercetării. Dezvoltarea capitalului uman pentru cercetare şi inovare va contribui pe termen lung la formarea doctoranzilor la nivel european cu preocupări interdisciplinare. Sprijinul financiar oferit doctoranzilor va asigura participarea la programe doctorale în ţara şi la stagii de cercetare în centre de cercetare sau universităţi din UE. Misiunea proiectului este formarea unui tânăr cercetator adaptat economiei de piaţă şi noilor tehnologii, având cunoştinţe teoretice, practice, economice şi manageriale la nivel internaţional, ce va promova principiile dezvoltării durabile şi de protecţie a mediului înconjurător. Proiect finanţat în perioada Finanţare proiect: ,00 RON Beneficiar: Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iaşi Partener: Universitatea Babeş Bolyai din Cluj-Napoca Director proiect: Prof. univ. dr. ing. Mihai BUDESCU Responsabil proiect partener: Prof. univ. dr. ing. Alexandru OZUNU

4 Mulţumiri, În primul rând, aș dori să adresez cele mai sincere mulțumiri, distinsului meu conducător științific, prof. univ. dr. ing. Maricel ADAM, pentru atmosfera de aleasă distincţie pe care a ştiut să o impună în relaţiile reciproce, încrederea acordată, sfaturile profesionale și impecabila coordonare pe tot parcursul elaborării tezei de doctorat. Mulţumesc domnilor prof. univ. dr. ing. Adrian BARABOI, prof. univ. dr. ing. Marcel ISTRATE, prof. univ. dr. ing. Călin MUNTEANU şi conf. univ. dr. ing. Doru VĂTĂU pentru deosebita onoare pe care mi-au făcut-o acceptând propunerea de a face parte din comisia de susţinere publică, pentru atenţia acordată lucrării şi pentru sfaturile acordate. Doresc să-i mulţumesc domnului profesor Octavian POSTOLACHE şi domnului profesor Pedro GIRAO pentru sfaturile acordate și cunoștiințele transmise în timpul stagiului de cercetare efectuat la Instituto Superior Técnico, Lisabona, Portugalia. Totodată, mulţumesc întregului colectiv al departamentului de Energetică al Facultăţii de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică Aplicată din Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iaşi, pentru încurajările şi sfaturile deosebit de utile oferite pe durata anilor de doctorat. În final, dar nu în ultimul rând doresc să mulţumesc întregii mele familii pentru răbdarea, pentru sprijinul continuu şi necondiţionat acordat, fără de care nu aş fi reuşit să parcurg acest drum.

5 CUPRINS Scopul, obiectivele şi structura tezei. 1 1 Cap.1 Introducere în managementul echipamentelor electrice. 4 3 Cap.2 Sistem de management al echipamentelor electrice Conceptul de management al echipamentelor electrice Componentele şi parametrii sistemului de asset management Activităţi ale sistemului de asset management Monitorizarea şi diagnosticarea stării tehnice a echipamentelor electrice Strategii de mentenanţă Managementul riscului Ciclul de viaţă al unui activ Etape ale ciclului de viaţă al unui echipament electric Stări ale activului pe durata ciclului de viaţă Costul ciclului de viaţă Concluzii 26 7 Cap.3 Stabilirea ordinii de prioritate a activităţilor de mentenanţă în cadrul unei companii de electricitate Criterii de ordonare a activităţilor de mentenanţă Starea tehnică a echipamentelor, respectiv a staţilor electrice Importanţa staţiilor electrice Procesul de luare a deciziei în cadrul companiei de electricitate Etapele implementării unui sistem de asset management la nivelul unei staţii electrice Concluzii Cap.4 Monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice Consideraţii privind monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice Noţiuni de monitorizare şi diagnosticare Echipamente monitorizate Întrerupătoare cu ulei de medie tensiune, de tip IO Întrerupătoare de înaltă tensiune cu hexafluorură de sulf Studiul defectelor întrerupătoarelor Parametri şi tehnici pentru monitorizarea întrerupătoarelor Structuri hardware-software de monitorizare şi diagnosticare 63 25

6 a echipamentelor electrice Arhitecturi ale sistemelor de monitorizare şi diagnosticare Structura generală a unui sistem de monitorizare şi diagnosticare Dispozitiv de monitorizare a întrerupătoarelor Caracteristici tehnice Software de monitorizare, Replay Sistem inteligent de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice Generalităţi Componente şi caracteristici principale Organigrama meniului sistemului Configurarea sistemului Moduri de salvare a datelor Dispozitive de testare utilizate pentru monitorizare Alte dispozitive de monitorizare dedicate Aplicaţie software pentru monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice Aspecte privind mediul de programare LabVIEW Structura şi algoritmul aplicaţiei Organigrama meniului aplicaţiei software Panoul frontal şi diagrama bloc ale aplicaţiei software Rezultate experimentale şi interpretări Monitorizarea şi diagnosticarea întrerupătoarelor de înaltă tensiune Arhitectura sistemului de monitorizare şi diagnosticare Parametrii monitorizaţi şi senzorii utilizaţi Schema de încercări Înregistrarea parametrilor Generare raport de stare Monitorizarea şi diagnosticarea întrerupătoarelor de medie tensiune Instalaţia experimentală Parametrii monitorizaţi şi stări ale întrerupătorului Defecte realizate pe întrerupător şi interpretarea datelor Logica fuzzy în diagnosticarea întrerupătoarelor de putere Noţiuni fundamentale despre logica fuzzy Sistem fuzzy pentru diagnosticarea întrerupătoarelor Aplicaţie software pentru diagnosticarea întrerupătoarelor pe baza logicii fuzzy

7 4.5. Concluzii Cap.5 Contribuţii la realizarea unui sistem de asset management Introducere Arhitectura unui sistem de asset management Aplicaţie software de asset management Instrument virtual pentru calcularea importanţei întrerupătoarelor Instrument virtual pentru estimarea ordinii la mentenanţă Instrument virtual pentru determinarea ordinii la mentenanţă în funcţie de gradul de influenţă a indexului importanţei şi a deteriorării stării tehnice Aplicaţie software de luare a deciziei de mentenanţă pe baza logicii fuzzy Rezultate experimentale Concluzii Cap.6 Concluzii şi contribuţii personale Concluzii generale Contribuţii personale Bibliografie Anexe 1. Caracteristici tehnice ale întrerupătoarelor de medie tensiune de tip IO Anexe 2. Caracteristici tehnice ale întrerupătoarelor de înaltă tensiune cu SF 6, tip GL Anexe 3. Caracteristici tehnice ale dispozitivului de monitorizare BCM Anexe 4. Caracteristici tehnice ale sistemului de monitorizare SIMDE Anexa 5. Schema electrică desfăşurată de conectare a sistemului de monitorizare şi diagnosticare pe întrerupătorul de tip GL Notă: Acest rezumat cuprinde principalele rezultate obţinute. Numerotarea capitolelor corespunde cu cea din teza de doctorat, respectiv cu cea din rezumatul acesteia.

8 Scopul, obiectivele şi structura tezei Teza are ca scop analiza conceperii, realizării şi implementării unui sistem de management al echipamentelor electrice (asset management) la nivelul unei staţii electrice a unei companii de electricitate, în contextul în care competiţia de pe piaţa energetică forţează companiile de electricitate să reducă costurile de exploatare şi să minimizeze investiţiile, existând tendinţa de a nu înlocui sau moderniza echipamentele învechite ci de a le exploata până la sfârşitul duratei de viaţă, cu riscul continuu de defectare a acestora. Un sistem de asset management al unei staţii de transformare urmăreşte, în ansamblu, să cuantifice starea tehnică a echipamentelor electrice pe baza datelor istorice şi în timp real şi să stabilească o ierarhie a activităţilor de mentenanţă. Pentru a lua decizia adecvată şi oportună în legătură cu echipamentele existente în gestiunea unei companii de electricitate trebuie realizată o analiză pe baza stării tehnice, respectiv a importanţei echipamentelor din cadrul acesteia, în scopul reducerii costurilor şi maximizării profitului. În vederea realizării acestui scop sunt necesare atingerea următoarelor obiective: cunoaşterea conceptului de asset management, a parametrilor şi componentelor acestuia; cunoaşterea activităţilor sistemului de management al echipamentelor electrice; identificarea etapelor necesare implementării unui sistem de asset management; stabilirea modelului matematic cu ajutorul căruia se poate implementa un sistem de management al activelor; identificarea algoritmilor şi realizarea calculelor pentru extragerea datelor necesare implementării sistemului; stabilirea criteriilor în funcţie de care se ordonează prioritatea la mentenanţă a echipamentelor din cadrul unei companii de electricitate; realizarea unor fişe de determinare a stării tehnice și a importanţei echipamentelor din cadrul unei staţii electrice, a importanţei grupelor de echipamente, respectiv a importanței stațiilor de transformare din companiile de electricitate; determinarea parametrilor şi posibilităţilor de monitorizare a echipamentelor electrice în vederea cunoaşterii stării tehnice; selectarea dispozitivelor de monitorizare şi diagnosticare care pot reda starea tehnică a echipamentelor din cadrul unei staţii electrice; testarea sistemului şi generarea de rapoarte de stare. Prezenta teză de doctorat este structurată într-un număr de şase capitole la care se adaugă bibliografia și anexele. În Cap.1 Introducere în managementul echipamentelor electrice se prezintă problematica existentă în sistemul de producere, transport şi distribuţie generată de numărul mare de echipamente electrice aflate în gestiune, îmbătrânirea acestora, şi necesitatea introducerii unui sistem de management integrat de luare a deciziei în legătură cu activele unei companii de electricitate. Cap.2 Sistem de management al echipamentelor electrice prezintă conceptul de asset management cu componentele şi parametrii care îl definesc. Sunt descrise strategiile de 1

9 mentenanţă existente în prezent, în sistemul de producere, transport şi distribuţie a energiei electrice precum: mentenanţa corectivă, mentenanţa preventivă bazată pe criterii predeterminate, mentenanţa bazată pe stare, mentenanţa centrată pe fiabilitate, respectiv mentenanţa bazată pe risc. În Cap.3 Stabilirea ordinii de prioritate a activităţilor de mentenanţă în cadrul unei companii de electricitate se descriu criteriile pe baza cărora se ia decizia de ordonare a activităţilor de mentenanţă la nivelul unei staţii electrice, respectiv a unei companii de electricitate. Se prezintă algoritmul de calcul al importanţei unei staţii de transformare, pe baza unei fişe de determinare a importanţei concepută pentru a diferenţia elementele de pe acelaşi nivel ierarhic. De asemenea, sunt prezentate etapele implementării unui sistem de asset management la nivelul unei staţii electrice din cadrul companiei Transelectrica -SA. Este descris modul de repartiţie a echipamentelor din cadrul staţiei, de calcul al importanţei, indexurilor de stare tehnică, de deteriorare a stării tehnice şi de importanţă, respectiv de stabilire a priorităţii la activitatea de mentenanţă. Cap.4 Monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice tratează aspecte privind stadiul actual al echipamentelor electrice de comutaţie, respectiv al monitorizării şi diagnosticării întrerupătoarelor. Se prezintă studii realizate cu privire la defecte, parametri şi tehnici de monitorizare a întrerupătoarelor. Se descriu dispozitive de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice existente, printre care amintim dispozitiv de monitorizare a stării întrerupătoarelor (Breaker Condition Monitoring-BCM) şi sistem inteligent de monitorizare și diagnosticare a echipamentelor electrice (SIMDE). De asemenea, este prezentată modalitatea de proiectare, realizare şi implementare a unor scheme electrice de conectare a dispozitivelor de monitorizare şi diagnosticare pe întrerupătoare de medie tensiune, respectiv de înaltă tensiune. Se prezintă aplicaţia software de monitorizare şi diagnosticare (SIMDE-software), concepută în vederea prelucrării şi analizării parametrilor achiziţionaţi de structurile de monitorizare prezentate, prin comparaţie cu înregistrări etalon. Se descrie aplicaţia software pentru monitorizarea şi diagnosticarea întrerupătoarelor de putere, realizată prin utilizarea logicii fuzzy, aplicație care permite analizarea datelor obţinute, detectarea defectelor, respectiv luarea deciziilor în legătură cu acestea. În Cap.5 Contribuţii la realizarea unui sistem de asset management este prezentată aplicaţia software de asset management, realizată în mediul de programare LabVIEW. Sunt prezentate instrumentele virtuale concepute, elaborate şi realizate pentru calcularea importanţei, estimării ordinii la mentenanţă, respectiv determinării ordinii la mentenanţă în funcţie de gradul de influenţă a indexurilor importanţei şi a deteriorării stării tehnice a întrerupătoarelor. De asemenea, se descrie modalitatea de luare a deciziei de mentenanţă (menţinere, reparare, respectiv modernizare, relocare sau înlocuire) pe baza logicii fuzzy, în funcţie de indexurile amintite. În Cap.6 Concluzii şi contribuţii personale se sintetizează concluziile generale desprinse din lucrare, respectiv contribuţiile personale ale autorului. 2

10 Cap.1. Introducere în managementul echipamentelor electrice Lumea actuală privită sub aspect social, economic, tehnic, cultural etc. este într-o continuă dezvoltare şi schimbare datorită diverselor procese, evenimente/fenomene care au loc în societate (fenomene naturale, criza economică, criza resurselor naturale etc.). Piaţa de energie, în general, respectiv cea a energiei electrice, în particular, suportă şi ea importante modificări la care companiile de electricitate ar trebui să răspundă noilor provocări prin metode, procedee, tehnici şi tehnologii noi în ceea ce priveşte producerea, transportul şi distribuţia energiei electrice. Competiţia de pe piaţa energetică forţează companiile de electricitate să reducă costurile de exploatare şi să minimizeze investiţiile, constatându-se deja o reducere generală a fondurilor de investiţii. Există tendinţa de a nu înlocui sau moderniza echipamentele învechite ci de a le exploata până la sfârşitul duratei de viaţă, astfel că riscul de defectare a acestora creşte odată cu vârsta echipamentului şi cu absenţa întreţinerii. În general, în companiile de electricitate şi, în particular, în staţiile de putere, defectele echipamentelor electrice pot conduce la avarii grave care implică daune şi costuri ridicate ce sunt de nedorit într-un mediu competitiv. Astfel, este necesară funcţionarea normală a echipamentelor importante dintr-o staţie electrică, dintre acestea cele mai valoroase şi costisitoare active sunt întrerupătoarele şi transformatoarele de putere. Activitatea de transport a energiei electrice pe teritoriul României este realizată de către compania Transelectrica -SA, prin intermediul Reţelei Electrice de Transport (RET). RET este reţeaua electrică de interes naţional şi strategic cu tensiunea de linie nominală mai mare de 110 kv. Volumul de instalaţii gestionat de către Transelectrica-SA este compus din 79 staţii electrice, din care: 1 staţie 750 kv, 36 staţii 400 kv, 42 staţii 220 kv având 218 unităţi principale de transformare care totalizează MVA şi care sunt distribuite pe întregul teritoriu al ţării. Problema care caracterizează sistemul de transport al energiei electrice este că liniile şi staţiile electrice care alcătuiesc sistemul electroenergetic au fost construite, în majoritate, în perioada anilor , la nivelul tehnologic al acelei perioade. Conform standardelor existente pe plan naţional şi internaţional cu privire la durata normală de funcţionare a echipamentelor electrice, se observă că acestea sunt pe cale să atingă, au atins sau chiar depăşit această durată, astfel încât companiile de electricitate trebuie sa facă investiţii serioase în retehnologizarea şi înlocuirea acestora, Fig.1.1, [63]. Datorită îmbătrânirii şi uzurii echipamentelor electrice existente în sistemul electroenergetic şi a evoluţiei tehnologice extrem de rapide este necesară luarea deciziei oportune şi adecvate (menţinere, reparare, relocare, modernizare, înlocuire) privind elementele uzate moral şi/sau fizic şi adăugarea unor elemente (facilităţi) suplimentare, inclusiv introducerea de noi tehnologii. În cadrul managementului unei companii electrice trebuie implementat un concept complex de luare a deciziei în legătură cu echipamentele electrice, care să ţină cont de starea 3

11 tehnică reală a echipamentelor, respectiv de importanţa unei staţii de putere în cadrul reţelei de transport a energiei electrice. În acest sens managementul activelor (asset managementul - AM) este un mijloc modern şi adecvat pentru soluţionarea problemei luării deciziei, ştiind faptul că funcţia de bază a acestuia poate fi descrisă ca un proces decizional continuu privitor la toate activităţile care se desfăşoară în cadrul şi în legătură cu activele gestionate, în scopul reducerii costurilor şi maximizării profitului. n Număr active Punere în funcțiune Modernizare Înlocuire Punere în funcțiune de noi active Timp (an) Fig Punerea în funcţiune şi luarea deciziilor cu privire la instalaţiile electrice Iniţial, asset managementul a fost folosit în industria financiară în termeni care explică arta tranzacţionării (balansării) riscurilor si veniturilor. Gestionarea activelor în industria energiei necesită o abordare diferită, deoarece spre deosebire de activele financiare, activele companiilor electrice necesită activitate de mentenanţă specifică fiecărui echipament electric gestionat şi implică luarea deciziei (reparare, retehnologizare, relocare sau înlocuire) în legătură cu acestea. AM in industria energiei poate fi privit ca o echilibrare a balanţei între cost, performanţă şi risc. În prezent, printre obiectivele principale ale companiilor de energie electrică se regăsesc introducerea de noi soluţii pentru monitorizarea, diagnosticarea şi evaluarea stării tehnice a activelor şi evaluarea vieţii acestora, respectiv de alegere a mentenanţei şi a posibilităţilor de extindere a vieţii activelor existente în administrare. Companiile de electricitate se confruntă cu problema administrării unui număr mare de echipamente electrice (întrerupătoare, transformatoare, cabluri etc.) fiind necesară o asistenţă în luarea deciziilor adecvate şi oportune în legătură cu activele lor, fapt care subliniază importanţa tematicii. Pe baza informaţiilor dobândite din activităţile AM, procesul luării deciziilor urmăreşte să menţină în stare de funcţionare echipamentele electrice, în condiţii de siguranţă şi eficienţă pentru companiile electrice. Implementarea unui sistem de asset management într-o companie electrică, va deveni o necesitate în viitorul apropiat, deoarece activităţile principale ale AM, monitorizarea şi diagnosticarea stării echipamentului, strategia de mentenanţă aleasă şi evaluarea riscurilor implicate, trebuie să găsească soluţia optimă, în timp real, cu privire la activele gestionate pentru atingerea obiectivelor economice urmărite de companie, cum ar fi sporirea profitabilităţii. 4

12 Cap.2. Sistem de management al echipamentelor electrice 2.1. Conceptul de asset management Activele societăţilor comerciale au fost şi sunt administrate în scopul obţinerii maximului din investiţie. Se constată totuşi că deşi se iau măsuri de reducere a costurilor, de reorganizare, de creştere a productivităţii şi calităţii etc., un număr sporit de oportunităţi sunt pierdute datorită obiectivelor contradictorii şi a lipsei organizării între departamentele societăţilor. În acest domeniu, al administrării activelor, se impune utilizarea metodelor de asset management (AM) pentru construirea unei singure structuri pe principiul celei mai bune valori a investiţiei (banilor). O imagine cadru a unei structuri de AM se observă în Fig.2.1, în care se remarcă unele componente ale acesteia şi anume: Sistemul de Asset Management managementul riscului, registrul activelor (bunurilor), sistemele de management al muncii, educaţia etc. Managementul riscului, Registrul activelor, Sistemul de Management al muncii, Educaţia etc. O definiţie generală a AM, în cazul activelor fizice, poate fi: setul de mijloace (metode, discipline, proceduri) folosite, pe întreaga durată de viaţă a Investiţii şi Materiale Exploatare şi reînnoiri şi resurse mentenanţă afacerii, pentru optimizarea costului, performanţei şi expunerii la risc ale acesteia, [6], [7], [61]. Se poate Fig.2.1 Structura sistemului de asset management observa deci că AM afectează toate etapele afacerii: proiectare, exploatare, mentenanţă, siguranţă etc. Furnizarea energiei electrice privită ca afacere a suferit schimbări importante datorate nu numai dereglementării pieţei de energie ci şi datorită apariţiei tehnologiilor informaţiei Componentele şi parametrii sistemului de asset management Sistemul de AM al unei companii electrice trebuie să includă următoarele componente, [9]: registrul activelor; sisteme de planificare şi control; monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice; baze de date istorice şi în timp real. În afara aplicaţiilor de mai sus se pot enumera şi următoarele aplicaţii, mai importante, care furnizează informaţii despre active şi care pot fi utilizate pentru realizarea unui sistem de AM: sistemele de supraveghere, control şi achiziţii de date (supervisory control and data acquisition - SCADA); managementul financiar; managementul resurselor etc. Cei mai utilizaţi termeni (parametri) care acoperă aspectele tehnice ale echipamentelor sunt, [6]: disponibilitatea; fiabilitatea; performanţa; sănătatea Activităţi ale managementului echipamentelor electrice Sistemul de management al echipamentelor electrice este compus din activităţi care sunt intercorelate între ele, iar luarea deciziei asupra activelor implică parcurgerea tuturor acestor activităţi. În Fig.2.3 sunt prezentate componentele AM şi anume, [17], [29], [49]: 5

13 monitorizarea și diagnosticarea stării tehnice a echipamentelor electrice; strategia de mentenanţă aleasă; managementul riscului. Managementul echipamentelor electrice Monitorizarea şi diagnosticarea stării tehnice a echipamentelor electrice Strategia de mentenanţa aleasă Managementul riscului Fig.2.3 Activităţi ale managementului echipamentelor electrice Monitorizarea și diagnosticarea stării tehnice a echipamentelor electrice Determinarea stării tehnice reprezintă o componentă importantă a sistemului de AM şi urmăreşte funcţionarea echipamentelor din cadrul unei companii de electricitate. Se disting numeroase posibilităţi de a obţine informaţii asupra stării tehnice a echipamentelor electrice dintr-o companie electrică. Determinarea stării tehnice se poate face prin una din următoarele metode: monitorizarea on-line; monitorizarea off-line; metode statistice etc. Pentru majoritatea companiilor de electricitate, tendinţa folosirii echipamentelor existente, la parametrii optimi, cu un coeficient ridicat de siguranţă, asociată cu asimilarea noilor tehnologii este de mare actualitate şi în continuă ascensiune. Monitorizarea echipamentelor electrice trebuie efectuată pentru a colecta informaţii suficiente de la echipamentele monitorizate în vederea estimării stării tehnice a acestora. Monitorizarea stării implică dezvoltarea unor sisteme dedicate Strategii de mentenanţă În sistemul energetic românesc majoritatea echipamentelor electrice aflate în exploatare sunt puse în funcţiune în perioada Acestea au ajuns sau depășit durata normală de funcţionare și, în consecință, necesită o atenţie sporită din partea managementului reţelei de transport prin implementarea de strategii de mentenanță adecvate echipamentelor, [60]. Strategia de mentenanţă este o componentă importantă a sistemului de AM. În această etapă a AM trebuie clasificate activele în funcţie de importanţa acestora în lanţul producerii, transportului şi distribuţiei energiei electrice pentru a putea implementa o strategie de mentenanţă adecvată cu scopul minimizării costurilor de mentenanţă a echipamentelor. Strategiile de mentenanţă au evoluat de-a lungul timpului, de la mentenanţa corectivă, bazată pe intervenţia post-defect la mentenanţa preventivă, bazată pe timp, la mentenanţa bazată pe stare, pe fiabilitate, respectiv pe risc, [10], [15], [27], [31], [43]. Mentenanţa se defineşte ca fiind ansamblul tuturor acţiunilor tehnice și organizatorice care se execută asupra instalaţiilor şi componentelor acestora pentru menţinerea sau restabilirea capacităţii de a-şi îndeplini funcţia pentru care au fost proiectate, [64]. Funcţionarea oricărei instalaţii presupune alocarea de resurse financiare pentru mentenanţa acesteia. Mărimea bugetului alocat depinde de gradul de complexitate al instalaţiei, 6

14 de Strategii de mentenanţă obligativitatea Înaintea producerii defectului După producerea defectului asigurării continuităţii în funcţionare etc. Mentenan?ă bazată pe risc Mentenanţă bazată pe fiabilitate Necesitatea reducerii Mentenanţă preventivă costurilor pe întreaga Mentenanţă corectivă durată de viață a activului Mentenanţă Mentenanţă bazată pe bazată pe stare criterii predeterminate a determinat gruparea conceptelor Fig.2.5. Strategii de mentenanţă de mentenanţă în funcție de momentul producerii defectelor. Astfel, aceste concepte de mentenanță pot fi grupate înainte și după momentul producerii defectului, Fig Managementul riscului Noile condiţii din economie în care mediile de afaceri sunt în continuă schimbare, îndreptându-se tot mai mult către dereglementare şi competiţie, generează riscuri diverse, practic în toate domeniile de activitate. Riscul este definit ca fiind probabilitatea de apariţie a evenimentelor cu consecinţe nefavorabile. Riscul este o noţiune ataşată nonfiabilităţii sau nonsecurităţii și reprezintă o măsură/consecinţă a efectelor acesteia. Riscul are deci două componente, [22], [23]: probabilitate de a se realiza; consecinţă economică, evaluabilă sau nu. Riscul este o noţiune de bază în luarea deciziilor în managementul tuturor activităţilor din domeniul energetic Concluzii Companiile de producere, transport şi distribuţie a energiei electrice au o bază însemnată de echipamente (întrerupătoare, transformatoare, cabluri etc.) care trebuie să fie administrată. Astfel, se accentuează nevoia de a introduce noi concepte care să reducă riscul de defectare a echipamentelor din cadrul companiilor de electricitate, prin implementarea unor strategii bazate pe analize multicriteriale, tot mai complexe, care în final sa conducă la: creşterea siguranţei în funcţionare; asigurarea continuităţii în alimentarea cu energie; minimizarea pierderilor din sistem; satisfacerea calitativă a consumatorilor. Se ajunge astfel la necesitatea realizării unei singure structuri de analiză şi decizie pentru managementul echipamentelor electrice. Această structură, sistem de asset management, se poate realiza datorită progreselor înregistrate în domeniul tehnologiilor informaţiei şi va cuprinde ca activităţi principale pe cele de monitorizare a stării tehnice, de alegere a strategiei de mentenanţă, respectiv managementul riscului. Managementul echipamentelor electrice trebuie să fie astfel realizat încât beneficiile de natură economică obţinute să fie maxime. Acest lucru implică ca la baza luării deciziilor să se ţină seama de criterii de natură tehnică, socială, respectiv economică. 7

15 Cap.3. Stabilirea ordinii de prioritate a activităţilor de mentenanţă în cadrul unei companii de electricitate 3.1. Criterii de ordonare a activităţilor de mentenanţă Companiile de electricitate se confruntă cu problema administrării unui volum mare de instalaţii (staţii electrice, linii aeriene, întrerupătoare, transformatoare, cabluri etc.) fiind necesară o asistenţă în luarea deciziilor adecvate şi oportune în legătură cu activele lor, fapt care subliniază importanţa stabilirii ordinii de prioritate a activităţilor de mentenanţă. Pe baza informaţiilor dobândite din activităţile asset managementului (monitorizare, mentenanţă şi managementul riscului), luarea deciziilor urmăreşte menţinerea în funcţionare a activelor, în condiţii de siguranţă şi eficienţă pentru companiile electrice cu un efort investiţional și financiar minim. Totodată, asistenţa în luarea deciziilor, prin utilizarea unui sistem de asset management (AM), va trebui să răspundă şi la problema privind satisfacerea calitativă a cerinţelor consumatorilor, deoarece obiectivele strategice ale companiilor electrice sunt orientate şi spre îmbunătăţirea serviciilor oferite. În vederea stabilirii ordinii de prioritate a activităţilor de mentenanţă la nivelul unei companii de electricitate, se realizează o analiză pe baza următoarelor criterii, [2], [19], [37], [38], [42],[43], [53], [54]: starea tehnică a echipamentelor electrice din cadrul staţiilor electrice; importanţa staţiilor electrice pentru sistemul electroenergetic Starea tehnică a echipamentelor, respectiv a staţilor electrice Starea tehnică a unui echipament este un indicator care evidenţiază starea de sănătate a acestuia, prin compararea parametrilor actuali, cu parametrii ideali de funcţionare (etalon, de referinţă). Sănătatea reprezintă măsura stării generale a echipamentelor în sensul capacităţii de realizare a funcţiilor acestora. Pentru evaluarea stării tehnice a unei staţiei electrice, în ansamblu, este nevoie de cunoaşterea stării tehnice a tuturor echipamentelor Index de stare + din cadrul acesteia, exprimată prin indexurile de Index de stare + Descarcătoare [1,2..af] stare (IST EC ) şi cuantificarea (însumarea) acestora Index de stare transformatoare de măsură [1,2 ae] + astfel ca, la sfârşit, un singur index de stare Index de stare Separatoare [1,2..ad] + Index de stare tehnică să fie calculat pentru aceasta (IST ST ), + Întrerupătoare [1,2 ac] Index de stare + Fig.3.1. Transformatoare [1,2, ab] Index de stare = staţie electrică [1, 2.. a] Determinarea stării tehnice a unei staţii Fig.3.1. Algoritmul de calcul a stării tehnice a unei staţii electrice electrice reprezintă o componentă importantă a 8

16 sistemului de AM și presupune determinarea indexului de stare tehnică. Calculul indexului de stare tehnică a staţiei electrice, după aflarea indexurilor componentelor acesteia pe baza unor fişe de determinare, se poate realiza cu relația: IST ST k ) n k i 1 IST i ECi (, (3.1) n în care IST ST(k) reprezintă indexul de stare tehnică al staţiei k, k= 1, 2,, a, n k - numărul de echipamente din cadrul staţiei electrice k şi IST ECi, indexul de stare tehnică a echipamentului i din staţia electrică k Importanţa staţiilor electrice Importanţa unei staţii electrice este un indicator care evidenţiază influenţa pe care o are aceasta asupra nivelului ierarhic din care face parte. Definirea importanţei unei staţii dintr-o companie de electricitate, înseamnă evaluarea consecinţelor defectării acesteia asupra performanţelor companiei. În Fig.3.2 sunt prezentate nivelurile ierarhice şi conexiunile între acestea la nivelul unei Subansamble AN amnu =[SA 1,...SA amnur ] EC amn =[AN 1,...AN amnu ] GE am =[EC 1,EC 2,.EC amn ] ST a =[GE 1,GE 2,.GE am ] CE=[ST 1,ST 2,.ST a ] Fig.3.2 Reprezentarea nivelurilor ierarhice companii de electricitate (CE) şi anume: ST - staţii electrice, GE - grupe de echipamente, EC - echipamente, AN - ansamble ale echipamentelor, SA - subansamble, iar coeficienţii a, m, n, u, r reprezintă valorile maxime a componentelor pe fiecare nivelul ierarhic. Pentru determinarea importanţei se pleacă de la criterii care permit diferenţierea între elementele aceluiaşi nivel ierarhic. Importanţa componentelor depinde atât de criterii obiective cât şi subiective. De exemplu, în Tab.3.1 este prezentat un extras dintr-o fişă ce permite determinarea valorilor importanţei, pentru nivelul ierarhic staţie electrică. Fiecare criteriu din tabel are asociată o scară de evaluare, iar fiecare treaptă a scării este notată cu un număr de la 1 la 10. Nota maximă se acordă pentru cea mai favorabilă treaptă. Totodată, fiecare criteriu are asociată o anumită pondere în raport cu celelalte criterii, deoarece fiecare criteriu are o influenţă diferită în cuantificarea importanţei unei staţii electrice pentru compania de electricitate, respectiv în performanţele acesteia. Tab.3.1 Fișa de determinare a importanţei staţiilor electrice (extras) Evaluare pe criteriu, Nr. Pondere Criteriu Scara/factor de evaluare staţia electrică k crt. criteriu 1 2. a 1 După rolul în de evacuare 8 0,5 sistemul energetic de conexiune 7 de conexiune şi transfer 10 9

17 După schema de 2 conexiune aleasă 3 Costul staţiei 4 Costul mentenanţei Daune datorate nefuncţionării Natura de racord adânc 5 schema cu bară colectoare simplă 7 schema cu dublu sistem de bare colectoare 10 schema cu sistem triplu de bare colectoare 5 scheme în punte (fără bare colectoare) 3 scheme poligonale 2 > x euro 10 <y euro 1 > s euro 10 < t euro 1 >z euro 10 <w euro 1 mari consumatori (>u MW) 10 consumatorilor mici consumatori (<v MW) 5 < Anul punerii în funcţiune > ,5 1 0,5 1,5 Evaluare criteriu EVC j( k ) EVS( j) P( j) Total evaluare pe element (staţie electrică): EVT ST ( k ) EVC j( k ) unde: EVS j reprezintă valoarea scării de evaluare, P j - ponderea criteriului, j=1, 2, 3, este numărul criteriului de evaluare, iar k=1, 2, 3,, a reprezintă numărul staţiei electrice Importanţa pe element: I ST ( k ) a i 1 EVT EVT ST ( k ) ST ( i) unde: i=1, 2, 3,, a reprezintă numărul staţiei electrice ; j În final, cunoaşterea importanţei unei staţii electrice din cadrul unei companii de electricitate permite determinarea indexului de importanţă (II) pentru nivelul ierarhic considerat, cu formula: II I 100. (3.2) ST ( k ) ST ( k ) Procesul de luare a deciziei în cadrul companiei de electricitate În procesul luării deciziilor în legătură cu activele unei companii de electricitate se utilizează valorile indexurilor deteriorării stării tehnice a staţiilor electrice aflate în gestiune şi importanţei acestora la nivelul reţelei de transport a energiei electrice în cadrul unei digrame de 10

18 prioritate. Aceasta este o diagramă carteziană având indexul de importanţă reprezentat pe abscisă şi indexul de deteriorare a stării tehnice pe ordonată și permite luarea deciziilor adecvate şi oportune cu privire la activele gestionate. Deciziile care se pot lua în cadrul unei companiei electrice cu privire la activele gestionate pot fi grupate astfel: pentru stabilirea activităţii de mentenanţă a activelor, în funcţie de starea tehnică a acestora (menţinere în funcţionare, reparare, respectiv modernizare, relocare şi înlocuire); pentru stabilirea strategiei de mentenanţă a activelor, în funcţie de importanţa acestora (corectivă, preventivă bazată pe criterii predeterminate, respectiv pe stare); pentru stabilirea ordinii de mentenanţă a activelor cu defect la un moment considerat. Indexul de deteriorare a stării tehnice pentru o staţie electrică STk la un moment dat se calculează cu relaţia: ISTt ( STk ) IDST ( STk ) 100 1, (3.3) IST0( STk ) unde IST 0(STk), IST t(stk) reprezintă valoarea indexului stării tehnice a staţiei electrice k în starea iniţială fără defect, respectiv la momentul t, k=1, 2,, a numărul staţiei electrice. În procesul de luare a deciziilor în cadrul unei companii de electricitate, considerând doar influenţa deteriorării stării tehnice a staţiilor, diagrama are trei zone care sunt delimitate de valorile considerate a fi valori de prag în vederea luării deciziei în legătură cu activităţile de mentenanţă a activelor gestionate. Astfel, IDST m este valoarea indexului de deteriorare a stării tehnice sub care se ia decizia de menţinere în funcţionare a activelor, IDST r este valoarea indexului de stare la depăşirea căreia se ia decizia de înlocuire, modernizare sau relocare, respectiv decizia de reparare a activelor situate între cele două valori de prag IDST m şi IDST r. Valorile indexurilor de prag IDST m şi IDST r sunt determinate pe baza datelor istorice și/sau a opiniei experților. Cu ajutorul diagramelor de prioritate a activelor, în funcţie de starea tehnică, este posibil să se grupeze activele din punct de vedere al activităţilor de mentenanţă în trei zone, Fig.3.3a: activele care necesită doar inspecţii (măsurători de monitorizare şi diagnosticare) ce trebuie să fie efectuate în mod regulat, zona I; activele care necesită activitate de reparare, întreţinere, zona II; activele care trebuie să fie modernizate, relocate, respectiv înlocuite, zona III. Dacă considerăm în procesul de luare a deciziei doar influenţa importanţei, diagrama de prioritate are de asemenea trei zone care sunt delimitate de valorile considerate de prag pentru stabilirea strategiei de mentenanţă corespunzătoare, Fig.3.3b. Astfel, II c este valoarea indexului de importanţă sub care strategia de mentenanţă corespunzătoare activelor existente în această zonă este corectivă, II p valoarea indexului de importanţă peste care strategia de mentenanţă potrivită acestei zone este metenanţă preventivă (bazată pe criterii predeterminate, pe stare), în 11

19 timp ce pentru activele aflate între cele două valori II c respectiv II p strategia de mentenanţă adecvată este o îmbinare între mentenanţă corectivă şi mentenanţă preventivă (bazată pe criterii predeterminate). Pentru stabilirea ordinii activităţilor de mentenanţă se consideră influenţa ambelor criterii, aceasta realizându-se prin compararea lungimilor segmentelor de dreaptă d 1,,d 6, Fig.3.4. Segmentele de dreaptă se obţin prin coborârea perpendicularelor din punctele aflate în planul (II; IDST) pe axa D. Axa D se trasează prin origine în cadranele doi şi patru ale planului amintit mai sus. Valorile numerice ale segmentelor de dreaptă se pot calcula analitic cu ajutorul relaţiei: d II ST ( k ) sin IDSTST ( k ) cos, (3.4) unde α reprezintă unghiul dintre axa indexului de importanţă, respectiv axa D, unghi care modelează gradul de influenţă a indexurilor importanţei, respectiv a deteriorării stării tehnice asupra ordinii activităților de mentenanță. Având în vedere că în practică ambele criterii (deteriorarea stării tehnice şi importanţa), sunt de aşteptat să aibă aceeaşi influenţă asupra ordinii de prioritate a activităţilor de mentenanţă, valoarea unghiului trebuie să fie egală cu 45. Activele care au segmentele de dreaptă cu lungimile cele mai mari vor avea prioritate la mentenanţă. Pentru a exemplifica modalitatea de luare a deciziei privind activele (staţii electrice) din cadrul unei companiei de electricitate, s-au considerat şase staţii electrice cu defect, iar pe baza diagramei de prioritate la mentenanţă, în urma analizei stării tehnice a staţiilor electrice și a influenței egale a celor două indexuri a reieşit faptul că, Fig.3.4a: staţiile aflate în zona III a diagramei de prioritate, necesită o activitate de modernizare sau înlocuire a echipamentelor existente în cadrul acesteia, prioritate având ST 2 față de ST 1, deoarece are segmentul de dreaptă mai mare; staţiile aflate în zona II, necesită o activitate de reparare, a componentelor defecte din cadrul staţiei, iar prioritate la această activitate pe baza analizei o are staţia ST 3, față de ST 5, respectiv ST 4, în timp ce ST 5 are prioritate faţă de ST 4. D IDST (%) 100 IDST r IDST m ST 1 ST 2 d 1 d 2 d 3 d4 Zona III Zona II d 5 ST 5 Zona I d 6 ST 3 ST 4 ST Modernizare, Inlocuire, Relocare Reparare Mentinere în funcţionare, Inspecţii II (%) IDST (%) a) II c D 100 Fig.3.4 Diagrama de prioritate a activelor b) Mentenanţă Mentenanţă Mentenanţă corectivă corectivă/ preventivă preventivă (timp, stare) Zona I Zona II Zona III ST 1 ST 2 d 1 d 2 d 3d4 d 6 ST 3 ST 4 d 5 ST 5 II p ST II (%) 12

20 3.2. Etapele implementării unui sistem de asset management la nivelul unei staţii electrice Un sistem de asset management a unei staţii de transformare urmăreşte, în ansamblu, să cuantifice starea tehnică a echipamentelor electrice pe baza datelor istorice şi în timp real şi să stabilească o ierarhie a activităţilor de mentenanţă. Etapele implementării unui sistem de management la nivelul unei stații electrice sunt următoarele, [2], [16]: a) repartizarea pe grupe de echipamente (GE), echipamente (EC), ansamble (AN) şi subansamble (SA) ale tuturor echipamentelor din cadrul unei stații electrice dintr-o companie de electricitate (CE); De exemplu, pentru staţia având schema electrică prezentată în Fig.3.5, avem următoarea repartizare pe grupe de echipamente: transformatoare de putere, GE1; transformatoare de măsură, GE2; întrerupătoare de 110 kv, GE3 întrerupătoare de 400 kv, GE4; separatoare, GE5; descărcătoare, GE6. Fiecare grupă de echipamente cuprinde la rândul ei echipamentele corespunzătoare acesteia, spre exemplu, grupa întrerupătoarelor cuprinde întrerupătoarele de înaltă tensiune de 110 kv GE3/EC1,, GE3/EC11. Fiecare echipament al fiecărei grupe cuprinde la rândul lui ansamblele corespunzătoare. În cazul întrerupătorului GE3/EC2, întrerupător IO de 110 kv, avem următoarele ansamble constructive: GE3/EC2/AN1 - calea de curent; GE3/EC2/AN2 - izolaţia electrică; GE3/EC2/AN3 - mecanismul de acţionare; GE3/EC2/AN4 - sistemul de fixare mecanică. La rândul lor ansamblele constructive cuprind subansamblele corespunzătoare. Mecanismul de acţionare, GE3/EC2/AN3, cuprinde: GE3/EC2/AN3/SA1 - element acumulator de energie (cilindrul cu azot sub presiune) şi ţevile aferente; GE3/EC2/AN3/SA2 - electrovalve de acţionare; GE3/EC2/AN3/SA3 - motor/pompă; GE3/EC2/AN3/SA4 - circuite electrice de control, semnalizare, încălzire; kv GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE 4/EC1 GE4/EC2 GE4/EC3 GE2 GE2 GE2 GE2 GE2 CM1 CM2 GE4/EC4 GE5 GE5 GE5 GE2 GE2 GE2 GE2 GE6 CTv GE6 GE6 GE1 LEA kv LEA kv TRAFO 1 13

21 LEA kv GE2 LEA kv GE2 LEA kv GE2 LEA kv GE2 LEA kv GE2 GE2 LEA kv 110 kv GE3/EC1 GE2 GE5 GE2 GE2 GE2 GE2 GE2 GE2 GE3/EC6 GE3/EC7 GE3/EC8 GE3/EC9 GE3/EC10 GE3/EC11 LEA kv GE5 GE2 GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE6 DRV 2 GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE5 GE3/EC2 GE2 CTv EG6 DRV 1 GE3/EC3 LEA kv GE5 GE3/EC4 GE2 LEA kv GE3/EC5 GE2 GE2 GE2 GE5 GE2 GE5 GE5 GE5 TRAFO 2 Fig.3.5 Asocierea echipamentelor unei staţii de 400/110 kv în grupe de echipamente GE5 /EC1 GE6 GE1 b) cunoaşterea mecanismelor de defectare ale echipamentelor electrice; c) cunoaşterea stării iniţiale fără defect a tuturor echipamentelor şi a staţiei electrice în întregime cu ajutorul unor indexuri de stare tehnică IST; Cunoaşterea valorilor indexurilor de stare tehnică, IST, pentru diferitele echipamente și a staţiei electrice dintr-o companie de electricitate, implică, pentru început, determinarea importanţei pentru fiecare component al staţiei. Aflarea importanţei este realizată pe fiecare nivel al ierarhiei, ierarhie care a fost stabilită în prima etapă a aplicaţiei. Astfel, spre exemplu, în Tab.3.2 şi Tab.3.3 sunt arătate extrase din fişe ce permit determinarea importanţelor, I, pentru nivelele ierarhice grupe de echipamente (transformatoare, întrerupătore, separatoare, transformatoare de măsură etc.), respectiv echipamente (întrerupătoare). Odată stabilită valoarea importanţei pe fiecare element (component) al nivelului ierarhic se pot determina valorile indexului stării tehnice a întrerupătorului, IST, atât în starea iniţială fără defect cât şi la un moment dat t. Tab.3.2 Fișa de determinare a importanței grupelor de echipamente din cadrul staţiei electrice (extras) Evaluare pe criteriu, Nr. Pondere Criteriu Scara/factor de evaluare grupa de echipamente k crt. criteriu 1 2. m Costul grupei de 1 echipamente 2 Costul mentenanţei > x euro 10 <y euro 1 > s euro 10 < t Euro

22 3 Daune datorate nefuncţionării >z euro 10 <w euro 1 4 Evaluare criteriu EVC j( k ) EVS( j) P( j) Total evaluare pe grupa de echipamente: EVT GE( k ) EVC j( k ) j unde: EVS j reprezintă valoarea scării de evaluare, P j reprezintă ponderea criteriului, j=1, 2, 3, este numărul criteriului de evaluare, iar k=1, 2, 3,, m reprezintă numărul grupei de echipamente Importanţa pe grupa de echipamente: I GE( k ) m i 1 EVT GE( k ) EVT GE( i) unde: i=1, 2, 3,, m reprezintă numărul grupei de echipamente. Tab.3.3 Fişă de determinare a importanţei întrerupătoarelor (extras) Nr. crt. Criteriu Scara / factor de evaluare SF 6 10 vid 10 1 Tip întrerupător ulei puţin 7 aer comprimat 3 > x euro 10 2 Cost aparat <y euro 1 3 > u euro 10 Daune datorită nefuncţionării <v euro 1 4 > s euro 10 Costuri mentenanţă <t euro kv 10 5 Nivel tensiune 220 kv kv 6 20 kv 2 Evaluare pe criteriu, Pondere întrerupător k (EVC j(k) ) 1 2 n

23 Evaluare criteriu: EVC j( k ) EVS( j) P( j) Total evaluare pe element, pe întrerupător: EVT EC( k ) EVC j( k ) j unde: EVS j reprezintă valoarea scării de evaluare, P j reprezintă ponderea criteriului, j=1, 2, 3, este numărul criteriului de evaluare, iar k=1, 2, 3,, n reprezintă numărul întrerupătorului Importanţa întrerupătorului k: I EC( k ) n EVT i 1 EC( k ) EVT unde: i=1, 2, 3,, n reprezintă numărul elementului EC( i) În Tab.3.4 este prezentată o parte a unei fişe ce permite determinarea stării tehnice, respectiv valorii indexului stării tehnice pentru un întrerupător k din grupa de echipamente denumită întrerupătoare. Nr. crt. Criteriu 1 Electroeroziunea 2 Abateri ale caracteristicilor cinematice 3 Vârsta 4 Abateri ale altor Tab.3.4 Fişă de determinare a indexului stării tehnice (extras) Scara / factor de evaluare <50% % % % 1 <5% 10 6%-10% 7 11%-20% 5 21%-30% 3 >30% 1 <1 an ani ani ani 4 >30 ani 1 <5% 10 mărimi. monitorizate >25% 1 Pondere Evaluare pe criteriu (EVP j(k) ) Evaluare parametru: EVPj ( k ) EVS( j) P( j) Total evaluare la momentul t pe echip.: EVT EC t k EVPj( k ) unde: EVS j reprezintă valoarea scării de evaluare, P j reprezintă ponderea criteriului, j=1, 2, 3, este numărul parametrului de evaluare, iar k=1, 2, 3,, n reprezintă numărul întrerupătorului Valoarea importantei pe echipament, I EC(k) j 16

24 EVTEC t( k ) Indexul de stare tehnică la t : ISTEC t( k ) I EC( k ) 100 EVT EC0( k ) Criteriile din Tab.3.4 sunt criterii de evaluare pe component şi permit stabilirea evoluţiei stării componentului plecând de la situaţia iniţială fără defect. În starea inițială fără defect, indexul de stare tehnică IST EC0(k) este dat de relaţia: IST I 100 [%] (3.5) EC0( k ) EC( k ) Pentru staţia electrică prezentată anterior, Fig.3.5, s-a realizat un raport de stare la momentul iniţial, fără defect. În Fig.3.6 sunt prezentate valorile relative ale indexului de stare tehnică (IST) în starea iniţială fără defect pentru diferite subansamble, ansamble, echipamente şi grupe de echipamente ale staţiei luate în considerare. Valoarea indexului de stare tehnică pentru întreaga staţie este de 100%; ST 100% GE1 50% GE2 2% GE3 20% GE4 25% GE5 1,5% GE6 1,5% EC1 17% EC2 10% EC3 10% EC4 6% EC5 9% EC6 2% EC7 2% EC8 7% EC9 7% EC10 15% EC11 15% EC1 30% EC2 25% EC3 30% EC4 15% AN1 11% AN2 15% AN3 4% AN4 70% AN1 10% AN2 15% AN3 5% AN4 70% SA1 16% SA2 14% SA3 30% SA4 40% SA1 45% Fig.3.6 Valorile indexului de stare în starea iniţială fără defect SA2 55% d) supravegherea diverşilor parametri (presiune, temperatură, cursă etc.) ai echipamentelor şi diagnosticarea stării activelor. Sistemul de diagnosticare selectează datele oferite de sistemele de monitorizare şi compară valorile măsurate cu valorile de prag (atenţionare, alarmare). Sistemele de monitorizare şi diagnosticare permit astfel aflarea treptei fiecărui criteriu din scara de evaluare pe care se află elementul la momentul dorit şi determinarea deteriorării stării tehnice a acestuia, în procente, plecând de la starea iniţială fără defect, datorită modificării mărimilor supravegheate; e) generarea raportului de stare pentru momentul ales. Valorile indexului de stare tehnică la un moment dat plecând de la baza ierarhiei stabilite în starea iniţială, permit generarea unui raport nou de stare care ţine seama de toate problemele existente în activele sistemului analizat, Fig.3.7. Apariţia unui defect la subansamblul SA4, al mecanismului de acţionare AN4, al întrerupătorului EC1, din cadrul GE3 face ca indexul de stare tehnică a acestuia să scadă de la 40% la 10%. Considerând şi o micşorare a indexului de stare tehnică pentru întrerupătoarele EC3, EC10, valoarea indexului de stare, pentru grupa de echipamente GE3 întrerupătoare de 110 kv, este de 18%. Considerându-se și deteriorarea stării tehnice a grupei de întrerupătoare de 400 kv și a 17

25 grupei de descărcătoare, valoarea stării tehnice pentru staţia în ansamblu devine în acest caz de 95,8%; ST 95,8% GE1 50% GE2 2% GE3 18% GE4 22,9% GE5 1,4% GE6 1,5% EC1 13,4% EC2 10% EC3 7% EC4 6% EC5 9% EC6 2% EC7 2% EC8 7% EC9 7% EC10 12% EC11 15% EC1 21,6% EC2 25% EC3 30% EC4 15% AN1 11% AN2 15% AN3 4% AN4 49% AN1 10% AN2 15% AN3 5% AN4 42% SA1 16% SA2 14% SA3 30% SA4 10% SA1 45% Fig.3.7 Valorile indexului de stare tehnică pentru momentul t considerat f) realizarea repartiţiei echipamentelor electrice cu defect ale staţiei în planul de coordonate a indexurilor: importanţa (II EC ) şi deteriorarea stării tehnice (IDST EC ), pentru echipamentele staţiei considerate cu probleme la momentul t dat. Indexul de importanţă este un indicator care evidenţiază influenţa pe care o are un echipament asupra grupei de echipamente din care face parte şi se calculează cu relaţia: IST0( ECk) II( ECk ) I( GEm) ( n ), (3.6) 100 unde: II (ECk) indexul de importanţă a echipamentului ECk care face parte din grupa GEm de echipamente, k=1, 2,, n; n - numărul de echipamente cuprinse în grupa m ; IST 0(ECk) - valoarea indexului stării tehnice a echipamentului ECk în starea iniţială fără defect; I (GEm) - importanţa grupei GEm de echipamente. Indexul de deteriorare a stării tehnice pentru un echipament ECk la un moment dat se calculează cu relaţia: ISTt ( ECk ) IDST ( ECk ) 100 1, (3.7) IST0( ECk ) unde: IST 0(ECk), IST t(eck) reprezintă valoarea indexului stării tehnice a echipamentului k în starea iniţială fără defect, respectiv la momentul t. În Tab.3.5 sunt date valorile indexului importanţei (II) şi ale indexului deteriorării stării tehnice pentru echipamentele considerate cu defect din cadrul staţiei luate în studiu, iar în Fig.3.8 repartiţia echipamentelor în planul (II, IDST). Stabilirea ordinii activităţilor de mentenanţă se realizează prin compararea lungimilor segmentelor de dreaptă d 1,, d 5. Valorile numerice ale segmentelor de dreaptă se calculează cu ajutorul relaţiei (3.4) modificată pentru nivelul ierarhic echipamente electrice: SA2 25% d II EC ( k ) sin IDSTEC( k ) cos, (3.8) 18

26 unde II EC(k) indexul importanţei echipamentului k, IDST EC(k) indexul deteriorării stării tehnice a echipamentului k, α gradul de influenţă a celor două indexuri asupra ordinii la activitatea de mentenanță. Echipamentul Tab.3.5 Valorile indexului importanţei, deteriorării stării tehnice şi ale distanţei d n I (GEm) (%) IST 0(ECk) (%) IST t(eck) (%) II (ECk) (%) IDST (ECk) (%) d Ordinea la mentenanţă GE3/EC ,4 37, ,88 I GE3/EC ,4 IV GE3/EC ,1 III GE4/EC , ,6 II GE5/EC1 33 1,5 0,8 0,6 0, ,77 V IDST (%) 35 GE3/EC3 30 GE5/EC1 GE4/EC1 25 d 3-3 GE3/EC10 D d d 4-1 d 3-10 GE3/EC α d II (%) Fig.3.8 Repartiţia echipamentelor în planul ( II, IDST) Echipamentele care au segmentele de dreaptă cu lungimile cele mai mari vor avea prioritate la mentenanţă. În situaţia dată, atunci când influenţa celor două indexuri este aceeaşi, valoarea unghiului α este de 45, ordinea priorităţii la mentenanţă este: GE3/EC1 - întrerupătorul TRAFO 2, 110 kv; GE4/EC1 - întrerupătorul liniei LEA 1, 400 kv; GE3/EC10 - întrerupătorul liniei LEA 10, 110 kv; GE3/EC3 - întrerupătorul liniei LEA 3, 110 kv; GE5/EC1 - separatorul de pe TRAFO 2, 110 kv Concluzii Producerea, transportul şi distribuţia energiei electrice privită ca o afacere a suferit schimbări importante în ultimul timp. Optimizarea exploatării echipamentelor din cadrul companiei de electricitate implică luarea celei mai bune decizii în legătură cu aceasta (menținere, reparare, retehnologizare, relocare, înlocuire), pe baza unor analize multicriteriale (stare tehnică, importanţă etc.) și are ca principal obiectiv creşterea siguranţei în funcţionare a reţelei electrice în vederea evitării unor situaţii care pot conduce la evenimente accidentale nedorite atât pentru reţelele electrice cât şi pentru populaţie sau mediu. Sistemul de asset management în cazul unei companii de electricitate, respectiv a unei staţii de transformare permite, printre altele: supravegherea mărimilor de stare şi generarea de avertizări şi alarme la depăşirea anumitor valori de prag; selecţionarea şi stocarea datelor; generarea de diagrame şi rapoarte de stare; stabilirea unei ierarhii în privinţa activităţilor de mentenanţă ale echipamentelor electrice; abilitate mare în planificare şi bugetare pentru reparații, modernizări şi înlocuiri a echipamentelor electrice; cunoaşterea cerințelor consumatorilor. 19

27 Cap.4. Monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice 4.1.Consideraţii privind monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice În ultimii ani există tendinţa utilizării echipamentelor electrice din cadrul companiilor de electricitate la limitele de funcţionare, cu riscul crescut al defectării, fapt ce conduce la scoaterea din funcţiune a acestuia, respectiv la întreruperea alimentării cu energie electrică a consumatorilor. O evaluare exactă a stării tehnice şi a duratei rămase de viaţă poate fi un instrument important pentru evitarea unor avarii, respectiv creşterea siguranţei alimentării cu energie electrică a consumatorilor. Acest lucru este posibil de realizat printr-o mentenanţă adecvată a echipamentelor electrice considerate importante (transformatoare, întrerupătoare etc.), respectiv prin raţionalizarea cheltuielilor cu aceasta. Un aspect important în ceea ce priveşte mentenanţa întrerupătoarelor o reprezintă costurile care sunt în creştere datorită îmbătrânirii acestora, uzurii ridicate provenite din exploatarea la limită a echipamentelor odată cu extinderea reţelelor, cerinţelor ridicate în ceea ce priveşte fiabilitatea etc. În general, politica de mentenanţă a întrerupătoarelor este orientată spre mentenanţa corectivă (efectuată după apariţia defectului) şi pe mentenanţa preventivă planificată (efectuată după criterii predeterminate). Dacă mentenanţa corectivă este o componentă de bază a mentenanţei, literatura de specialitate arată faptul că din punct de vedere economic, mentenanţa preventivă planificată nu se mai justifică, în totalitate. În acest context, pe plan mondial, noua tendinţă în ceea ce priveşte mentenanţa întrerupătoarelor este de a trece de la mentenanţa bazată pe criterii predeterminate la mentenanţa bazată pe stare, ceea ce implică introducerea de sisteme integrate de monitorizare şi diagnosticare a stării tehnice a acestora. Monitorizarea stării tehnice este un concept nou care a devenit din ce în ce mai utilizată datorită dezvoltării continue a senzorilor şi traductoarelor, a dispozitivelor de monitorizare, respectiv a posibilităților noi în ceea ce priveşte transmiterea datelor achiziţionate. Aceste lucruri au făcut ca monitorizarea să reprezinte o soluţie atractivă atât din punct de vedere tehnic, cât şi economic Echipamente monitorizate În cadrul unei companii de electricitate există o multitudine de echipamente electrice care trebuie gestionate, între care întrerupătorul, alături de transformatorul de putere, reprezintă cele mai importante active, fiind necesară funcţionarea lor în condiţii optime de exploatare şi siguranţă. Rolul întrerupătorului este de a stabili, de a menţine şi de a întrerupe curenţii corespunzători regimurilor normale de funcţionare, cât şi regimurilor de defect, [1], [48], [62]. 20

28 În Fig.4.1, sunt prezentate componentele unui întrerupător indiferent de tipul acestuia, şi anume: Componentele la tensiunea de Componente la tensiunea de serviciu serviciu care reprezintă partea Linie electrică activă a întrerupătoarelor, ce au rolul de a stabili, menține și întrerupe curentul în instalaţiile Circuitele electrice de control şi auxiliare electrice în care sunt montate. Printre aceste componente se Mecanism de regăsesc: camera de stingere Întrerupător acţionare (rupere); întrerupătorul auxiliar, Fig.4.1. Reprezentarea schematică a întrerupătorului rezistor, condensator; izolaţia electrică (coloana izolantă, aer, ulei, vid, SF 6 ). Linie electrică Mecanism de transmitere Elementele de control şi auxiliare au rolul de a trimite comanda de funcţionare (închidere sau deschidere) întrerupătorului. Din această categorie fac parte: circuitele de închidere, deschidere; comutatoare auxiliare, contactoare, relee, termostate; dispozitivul de control al densităţii SF 6 ; siguranţe, dispozitive de blocare etc. Mecanismul de acţionare este componenta care furnizează energia mecanică necesară pentru deplasarea contactelor. Este alcătuit din: mecanism de transmitere; acumulator de energie; elemente de control (neelectrice); dispozitive de comandă, amortizoare, compresoare, pompe etc. Cele mai utilizate tipuri de mecanisme de acţionare sunt următoarele: cu acumulare de energie în resorturi; cu acţionare hidraulică; cu acţionare oleopneumatică etc Întrerupătoare de înaltă tensiune cu hexafluorură de sulf Progresele înregistrate în tehnica echipamentelor de comutaţie sunt strict condiţionate de descoperirea şi utilizarea convenabilă a unor medii electroizolante care, în acelaşi timp să posede şi cât mai bune proprietăţi de stingere a arcului electric. În paralel cu întrerupătoarele de putere realizate în tehnici tradiţionale (ulei puţin, aer comprimat etc.) firmele specializate au fabricat, în ultimele decenii, echipament de comutaţie bazat pe o tehnică nouă, cea a comutaţiei în hexafluorură de sulf. În prezent, datorită performanţelor atinse, aceste aparate cunosc o tot mai largă utilizare şi tind să înlocuiască tehnica tradiţională. Întrerupătoarele de putere care utilizează hexafluorura de sulf ca mediu izolant, respectiv de stingere a arcului electric, sunt realizate în tehnica autopneumatică, suflaj magnetic, autoexpansiune sau tehnici combinate. Din totalul întrerupătoarelor de putere, o mare parte o reprezintă cele autopneumatice. Tehnica autopneumatică a fost adoptată de constructori şi acceptată de utilizatori deoarece permite obţinerea unor performanţe electrice înalte, cum sunt: capacitate de scurtcircuit atingând 63 ka, tensiune nominală de până la 800 kv, timp de deconectare de valori mici (circa 40 ms). Întrerupătoarele de putere realizate în tehnică 21

29 autopneumatică funcţionează cu hexafluorură de sulf la o singură presiune, având valori de 0, ,7 MPa. Contact mobil Presiune joasă Suflajul necesar activării stingerii arcului electric se obţine, la deconectare, pe durata deplasării echipajului mobil, prin autocompresie, Fig.4.9, [1], [69]. Aceste întrerupătoare se mai numesc cu Suprapresiune de Arc electric Contact fix natură mecanică autocompresie sau cu o singură presiune Fig.4.9 Principiul cumutaţiei autopneumatice (autocompresie) (monopresiune). Ca exemplu constructiv se prezintă întrerupătorul de tipul GL 311 (123 kv) AREVA, fabricat de către AREVA Energietechnik din Germania, având parametri nominali prezentaţi în Anexa 2. Întrerupătorul, Fig.4.10, este constituit din: 1-trei poli de tip monocolonǎ identici; 2- camera de stingere; 3-coloană izolantă; 5-cadru de bază; 4-mecanism de acţionare cu înmagazinarea energiei în resorturi, de tipul FK 3-1; 6-indicatorul de presiune a gazului SF 6 ; respectiv circuite de control şi comandă (nefigurate). Fixarea polilor, la baza cărora este amplasat indicatorul de presiune şi mecanismul de acţionare, se face pe suportul metalic 5. Polii se cuplează cu mecanismul de acţionare 4 prin intermediul componentelor de transmitere a mişcării, Fig.4.11, în care: 1, 2, 3-pol A, B, C; 4- pârghia de antrenare; 5-bara de antrenare; 6-pârghia B; 7-pârghia A, respectiv C; 8-bare de cuplare Fig.4.10 Întrerupător de înaltă tensiune 22 Fig.4.11 Componente de transmitere a mişcării cu hexafluorură de sulf Fiecare pol, Fig.4.12, este constituit din camera de stingere 1, coloana modul izolator suport 2 şi componente ale mecanismului de acţionare, precum: resortul de deschidere 8, tija izolantă de transmisie a mişcării 9 care străbate coloana 2, respectiv transmite mişcarea la contactele mobile. Un pol al întrerupătorului, Fig.4.12, conţine următoarele subansamble: 1- cameră de stingere, 2-coloană izolantă; 3-anvelopă de porţelan; 4-contacte fixe; 5-contacte mobile; 6-borne

30 de conexiuni, 7-carterul polului; 8-resort de deschidere; 9-tijă izolantă; 10-ghidaj a resortului de deschidere. Calea de curent a unui pol conţine bornele de conexiune, contactele de lucru şi contactele mobile a) b) c) Fig.4.12 Polul unui întrerupător de înaltă tensiune cu hexafluorură de sulf Fig.4.13 Componentele camerei de stingere şi modul de funcţionare Polii întrerupătorului formează cu ţevile pentru gazul SF 6, care traversează cadru de bază ajungând în carterele polilor, un compartiment comun pentru gaz. Valoarea nominală a presiunii hexafluorurii de sulf în aceste întrerupătoare este de 0,64 MPa la 20 C. Controlul presiunii se face cu presostatul 6, Fig.4.10, având rolul de a semnaliza scăderea presiunii sub 0,54 MPa şi de a comanda blocajul general al funcţionării sau deschiderea automată a întrerupătorului, dacă presiunea scade sub valoarea de 0,51MPa. Componentele active ale camerei de stingere şi modul de funcţionare sunt prezentate în Fig Întrerupătorul, Fig.4.13a, este prevăzut cu contacte specializate, de rupere (l-fix, 2- mobil), respectiv de lucru (3-fix, 4-mobil). Echipajul mobil este constituit din contactele 2, 4 conectate electric între ele, ambele solidare cu ajutajul electroizolant-5 şi cilindrul metalic-7. La deconectare, Fig.4.13b, echipajul mobil coboară, arcul electric 9 fiind preluat de contactele de rupere 1, 2. Gazul SF 6 comprimat între cilindrul mobil 7 şi pistonul fix 8 exercită, prin ajutajul 5, un suflaj longitudinal bilateral, sub acţiunea căruia se obţine stingerea arcului electric. Valvele 6 se deschid la închiderea întrerupătorului, Fig.4.13c, pentru a permite recircularea gazului necesar suflajului, conţinut în spaţiul dintre cilindrul 7 şi pistonul 8. Simplitatea constructivă, indicatorii înalţi de fiabilitate, mentenabilitatea ridicată şi cheltuielile de exploatare reduse fac din echipamentele realizate în tehnica autopneumatică cele mai răspândite dintre cele cu comutaţie în hexafluorură de sulf Studiul defectelor întrerupătoarelor Pentru stabilirea principalilor parametri şi caracteristici necesare în monitorizarea şi diagnosticarea stării tehnice a echipamentelor de comutaţie trebuie mai întâi stabilite 23

31 componentele responsabile de anomaliile şi defecţiunile acestora. Din datele statistice aflate în literatura de specialitate a rezultat următoarea situaţie, prezentată în Tab.4.1,..., Tab.4.5, [10]. După consecinţele defectării, pentru întrerupătoare, specialişti din cadrul CIGRE s-au Tab.4.1 Repartiţia pe tipuri de defectări şi pe componente responsabile oprit doar la două Tipuri de defectări DM Dm categorii de defectări Componente responsabile [%] [%] şi anume: majore Componente la tensiunea de serviciu 20,4 25,7 (DM); minore (Dm). - camera de stingere (rupere) 12,5 8,5 Defectările majore - întrerupător auxiliar, rezistor 0,9 0,6 corespund dispariţiei - izolaţia principală faţă de pământ 7,0 16,6 Elemente de control şi auxiliare 33,3 22,8 unei funcţii principale - circuitele de închidere, deschidere 11,6 1,2 a întrerupătorului, - comutatoare auxiliare 7,3 2,1 necesitând scoaterea - contactoare, relee, termostate etc. 10,4 6,5 din funcţiune a - dispozitivul de control al densităţii SF 6 4,0 13,0 acestuia, în timp ce Mecanismul de acţionare 42,1 46,1 - compresoare, pompe, etc. 15,2 20,1 defectările minore - acumulatorul de energie 4,0 7,0 grupează toate - elemente de control (neelectrice) 10,4 12,7 celelalte defectări care - dispozitive de comandă, amortizoare 7,9 4,8 pot fi eliminate mai - mecanism de transmitere 4,6 1,5 târziu (cu ocazia Alte componente 4,2 5,3 lucrărilor planificate sau programate accidental), [6], [59]. Astfel se propune ca defectarea întrerupătorului să fie considerată ca majoră dacă întrerupătorul: nu anclanşează sau nu declanşează la comandă; nu întrerupe curentul sau se defectează la deschidere; nu stabileşte curentul sau se defectează la închidere; anclanşează sau declanşează fără comandă; se defectează ca urmare a unei amorsări la pământ, între faze sau între bornele aceleaşi faze deschise; nu suportă curentul. Ca defectări minore sunt considerate următoarele: întrerupătorul nu va anclanşa sau nu va declanşa la comandă; întrerupătorul nu va stabili sau nu va întrerupe curentul; pierderi de ulei şi/sau hexafluorură; modificarea caracteristicilor funcţionale Parametri şi tehnici pentru monitorizarea întrerupătoarelor Parametrii şi caracteristicile ce trebuie considerate pentru realizarea supravegherii şi diagnosticării stării tehnice a echipamentelor de comutaţie se discută pe funcţie sau subansamblu. Atât parametrii folosiţi în mod curent cât şi cei datoraţi noii dezvoltări a tehnicilor de diagnosticare sunt trataţi sub aspectul utilităţii, experienţei cunoscute şi fezabilităţii tehnice şi economice. În Fig.4.14 sunt reprezentaţi parametrii pentru monitorizarea întrerupătoarelor cu SF 6, [12], [15], [21]. Înglobarea unui număr cât mai mare dintre aceşti parametrii, va permite aflarea cât mai exactă a stării tehnice reale a echipamentului. 24

32 Funcţia sau subansamblul constructiv a întrerupătorului cu SF 6 Stabileşte, menţine şi întrerupe curenţi Izolaţia Mecanismul de acţionare Circuitele de control şi auxiliare - rezistenţa de contact - temperatura de contact - poziţia contactelor principale - sarcina în curent - numărul de comutaţii - nesimultaneitatea - timpul de arc - viteza contactelor - electroeroziunea contactelor (I 2 t) - densitatea SF 6 - umezeală în SF 6 - conţinutul în O 2 - nivelul acidităţii - contaminarea SF 6 - descărcări parţiale - poziţia contactelor principale - numărul de acţionări - energia acumulată (presiune) - cursa şi viteza la acţionare - amprenta vibratorie - numărul de porniri ale pompei, curentul motorului, timp reîncărcare pompă, timp total funcţionare pompă Fig.4.14 Parametrii monitorizaţi ai unui întrerupător - tensiunea de alimentare - continuitate circuite - curentul în bobine - circuite de încălzire - rezistenţa de izolaţie - starea contactelor auxiliare 4.2. Structuri hardware-software de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice Arhitecturi ale sistemelor de monitorizare şi diagnosticare Achiziţionarea datelor, cu privire la parametrii echipamentelor electrice monitorizate, este realizată cu diferite sisteme de monitorizare şi diagnosticare. Arhitecturile sistemelor de monitorizare şi diagnosticare realizează achiziţia şi procesarea semnalelor folosind unul din cele trei niveluri posibile: local, distribuit şi central. Sistemele de monitorizare şi diagnosticare pot avea una din arhitecturile următoare, [10]: sistem local portabil; sistem local permanent; sistem central on-line, conectare directă; sistem central on-line, conectare distribuită; sistem hibrid; sistem cu reţea locală integrată - LAN (Local Area Network); sistem integrat total bazat pe calculator Sistem inteligent de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice Generalităţi Sistemul inteligent de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice (SIMDE) se utilizează pentru monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice de comutaţie (întrerupătoare) din instalaţiile electrice de înaltă tensiune, respectiv de medie tensiune cu acţionare monopolară cât şi tripolară, [3], [14], [18], [66]. SIMDE poate fi instalat atât pe întrerupătoare noi cât şi existente şi permite obţinerea de informaţii necesare stabilirii stării tehnice a acestora. Sistemul de monitorizare şi diagnosticare poate fi montat în cabina dispozitivului de acţionare al întrerupătorului sau ataşat pe aceasta, prin introducerea într-o cutie de exterior, şi se conectează în paralel cu circuitul de comenzi operative al acestuia. Pe durata unei operaţii de închidere sau deschidere a întrerupătorului sistemul permite achiziţionarea următoarelor informaţii despre acesta: 25

33 curenţii primari pe cele trei faze; timpii de închidere şi deschidere ai contactelor auxiliare; evoluţia curenţilor prin bobinele de anclanşare şi declanşare; cursa contactelor mobile; tensiunea operativă (grad de filtrare, valorile maximă şi minimă). SIMDE, faţă de sistemele existente pe plan mondial, oferă unele facilităţi hardware/software suplimentare: posibilitate de configurare locală (LCD + tastatură); mai multe moduri de comunicaţie (RS232; TTL; modem GSM); achiziţia semnalelor cu o rezoluţie de 12 biţi la o rata de eşantionare de 2 khz; SD card cu o capacitate de stocare de 2 GB Componente şi caracteristici principale În Fig.4.26 este dată schema bloc a structurii hardware-software de monitorizare şi diagnosticare, SIMDE, [3], [4], [14]. Senzori ECHIPAMENT ELECTRIC Intrări analogice Intrări de eveniment Ieşiri de eveniment de tip releu Microcontroler ATmega2560 Interfaţă serială RS232 Afişaj local Unitatea centrală Unitate de stocare a informaţie tip SD card Structură hardware-software inteligentă ±12 Vcc 5 Vcc Bloc de alimentare 220 Vca ±12 Vcc Modem GSM Reţea GSM Modem GSM Fig.4.26 Schema bloc a sistemului SIMDE Structura a fost realizată în jurul microcontrolerului Atmel ATmega2560 AVR. Pe lângă acest microcontroler structura mai conţine: intrări analogice, intrări de eveniment, ieşiri de eveniment de tip releu, afişaj local, interfaţa seriala, unitate de stocare a datelor, bloc de alimentare etc. În Fig.4.27 este prezentată o imagine frontală a dispozitivului în care se pot observa componentele acestuia, precum: bornele de racord, tastele de configurare ale echipamentului PC 26

34 SIMDE, afişorul local etc. În Anexa 4 sunt prezentate principalele caracteristici ale sistemului SIMDE. Conectori pentru alimentare 6 intrări de eveniment 7 intrări analogice 9 intrări analogice SD card 9 ieşiri de eveniment 6 intrări eveniment RS 232 interfaţa serială LCD Taste pentru configurare Fig.4.27 Imagine frontală a sistemului SIMDE 4.3. Aplicaţie software pentru monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice Structura şi algoritmul aplicaţiei În Fig.4.32 este prezentată arhitectura unui sistem inteligent de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice care include şi componenta software (SIMDE-Software) realizată în mediul de programare LabVIEW, [12]. Aplicaţia software a fost realizată pentru a asigura interfaţa cu utilizatorul având rolul de achiziţie, procesare şi analizare a datelor primite de la sistemul de monitorizare şi anume: curenţii pe faze, tensiune operativă, curenţii prin bobinele electromagneţilor, cursa contactelor mobile etc. Întrerupător Curenţii pe faze Tensiune operativă Curenţii prin bobine Cursa contactelor mobile Sistemul inteligent de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice (SIMDE) Transmiterea datelor Încărcare date Citire date Calculare parametri monitorizaţi Procesare date Vizualizare valori şi grafice parametri Aplicaţie software (SIMDE- Software) Analizare date Alarme, Atenţionări Rapoarte Fig.4.32 Arhitectura unui sistem de monitorizare, respectiv structura aplicaţiei software 27

35 În continuare, în START Fig.4.33 este prezentat Iniţializare software algoritmul aplicaţiei SIMDEsoftware. Citire date Aplicaţia oferă următoarele Calculare date Setări caracteristici: achiziţionate existente iniţializare aplicaţie; citirea Întrerupător Definire niveluri de Afişare date în SIMDE atenţionare pentru formă tabelară parametrii achiziţionaţi datelor prin reţea serială, modem GSM şi cartelă SD; Procesare şi analiza date vizualizarea setările existe ale Afişare valori Afişare valori Afişare valori Afişare grafică minime întrerupătorului şi ale maxime medii a parametrilor Comparare parametri dispozitivului de monitorizare; achiziţionaţi cu Da valori predefinite sau cu valori anterioare. calcularea datelor şi Depăşire limită? Alarmă sonoră şi vizuală vizualizarea parametrilor monitorizaţi în formă tabelară; Nu Report Raport de stare vizualizarea parametrilor Doriţi o Da noua achiziţionaţi şi valorile citire? caracteristice Nu semnalului STOP (maximă, minimă, efectivă, Fig.4.33 Algoritmul aplicaţiei software SIMDE medie etc.); definirea nivelurilor de prag ale parametrilor monitorizaţi; semnalizarea depăşirii unor valori de prag; pagină de raport privind parametrii supravegheaţi Panoul frontal şi diagrama bloc ale aplicaţiei software În Fig.4.35 este prezentat panoul frontal al aplicaţiei SIMDE-software care permite încărcarea fişierelor (CONFIG.txt, respectiv DATA.txt) în vederea procesării şi analizării datelor obţinute în urma achiziţiei efectuate cu structura hardware-software de monitorizare, descrisă în Panoul frontal permite vizualizarea parametrilor achiziţionaţi (cursa, curenţii pe cele 3 faze) sub forma tabelară. Fig.4.35 Panoul frontal al aplicaţiei software Fig.4.36 Diagrama bloc a aplicaţiei software De asemenea, panoul frontal este prevăzut cu un buton Tipărire raport stare, care prin apăsare generează un raport de stare, în care sunt prezentate valorile parametrilor înregistraţi, data evenimentului, tipul echipamentului monitorizat, vizualizarea formelor de undă etc. 28

36 Dacă se doreşte închiderea aplicaţiei software trebuie apăsat butonul de STOP. În Fig.4.36 este prezentată o parte a diagramei bloc a aplicaţiei software realizate, şi anume pentru determinarea cursei, respectiv a vitezei contactelor mobile. Aceasta realizează: citirea datelor din fişierul de date obţinut în urma achiziţiei; eliminarea ofsetului; transformarea mişcării de rotaţie a senzorului rezistiv în mişcarea liniară a contactelor mobile; eliminarea zgomotului din semnalul achiziţionat; extragerea valorilor maxime a cursei; derivarea semnalului pentru obţinerea vitezei contactelor mobile; extragerea valorii maxime a vitezei; vizualizarea grafică a parametrilor achiziţionaţi; realizarea de alarme sonore/vizuale; generarea de rapoarte Rezultate experimentale şi interpretări Arhitectura sistemului de monitorizare şi diagnosticare În Fig.4.39 este reprezentată arhitectura sistemului de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice utilizată pentru monitorizarea echipamentelor electrice de comutaţie (întrerupătoare) din instalaţiile electrice de înaltă tensiune cu acţionare monopolară cât şi tripolară. Aceasta conţine: întrerupător de înaltă, senzorii utilizaţi, structura de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice, aplicaţia software pentru procesare şi analiză a datelor. Structura suport Polii întrerupătorului Camera de stingere Izolator suport Mecanism de acţionare Întrerupător de înaltă tensiune Sistem integrat de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice Senzori şi traductoare Transformatoare de current Traductoare de curent pentru curenţii prin bobinele de anclanşare şi declanşare: şunturi Senzori de deplasare: potenţiometre Senzor de tensiune Stare întrerupător: închis/ deschis Pornire motor mecanism de acţionare Protecţie motor Presiune SF6 Transmitere date Achiziţie date Structură hardware-software de monitorizare şi diagnosticare Curenţi de fază Procesare date Curenţii prin bobinele bobinele de deschidere şi închidere Cursa contactelor mobile Tensiune operativă Unitate de stocare a datelor Interfeţe seriale RS 232 Zona întrerupătorului de înaltă tensiune Transmitere date Transmitere date SD card Expert uman Salvare date Fig.4.39 Arhitectura sistemului de monitorizare a întrerupătorului de putere Aplicaţia software Raport Data processing Parametrii monitorizaţi şi senzorii utilizaţi Pe durata unei operaţii de închidere sau deschidere a întrerupătorului sistemul permite achiziţionarea următoarelor informaţii despre acesta: cursa contactelor mobile, evoluţia curenţilor prin bobinele de anclanşare şi declanşare, tensiunea operativă, curenţii primari pe cele trei faze, timpii de închidere şi deschidere ale contactelor auxiliare Schema de încercări În Fig.4.40 este prezentată schema electrică de conectare a sistemului SIMDE la întrerupătorul GL 311, în vederea evaluării performanţelor acestuia, iar în Anexa 5 se prezintă schema electrică desfăşurată a sistemului de monitorizare. 29

37 Mecanism de acţionare + Motor armare BD BI Contact aux. întrerupător SF 6 Pornire Protecţie Sh - Vcc Sh SIMDE Tensiunea operativă Stare întrerupător Curent bobina de deschidere Presiune SF 6 Pornire motor Curent bobina de închidere Protecţie motor TC 100 Curent faza L1 Tensiune +5V TC 100 Curent faza L2 Tensiune alimentare Tensiune +12 V Fază Masă 230Vca TC 100 Curent faza L3 TD Iniţiere închidere Sh şunt 5A/1V TC transformator de curent 1000/1 Iniţiere deschidere Cursa contacte TD traductor de deplasare (potenţiometru) Fig.4.40 Schema de conectare a sistemului Înregistrarea parametrilor În Fig.4.41, 4.42 sunt reprezentate înregistrările parametrilor monitorizaţi cu SIMDE şi vizualizarea acestora cu SIMDE-software. Aceste înregistrări au fost efectuate la închiderea, 30

38 respectiv deschiderea întrerupătorului de putere. Achiziţia semnalului a fost efectuată cu o rată de eşantionare de 2 khz, cu o rezoluţia de 12 biţi, având durata înregistrării de 190 ms. Cursa contacte mobile Curent prin bobina deschidere Cursa contacte mobile Curent prin bobina inchidere Cursa ( mm) Curent 0,001 (A) Cursa ( mm) Curent 0,001 (A) Timp (ms) Timp (ms) a) Cursa contactelor mobile, respectiv curentul prin a) Cursa contactelor mobile, respectiv curentul prin bobina electromagnetului de deschidere bobina electromagnetului de închidere Viteza contacte mobile Viteza contacte mobile Viteza (m/s) Viteza (m/s) Timp (ms) Timp (ms) b) Viteza contactelor mobile la deschidere b) Viteza contactelor mobile la închidere Curent faza L 1 Curent faza L 2 Curent faza L 3 Curent faza L 1 Curent faza L 2 Curent faza L 3 Curent (A) Curent (A) Timp (ms) Timp (ms) c) Curenţii pe faza L 1, L 2, L 3 la deschidere c) Curenţii pe faza L 1, L 2, L 3 la închidere Tensiune operativa Tensiune operativa Tensiune (V) Tensiune (V) Timp (ms) Timp (ms) d) Tensiunea operativă la deschidere d) Tensiunea operativa la închidere Fig.4.41 Parametri achiziţionaţi la deschiderea Fig.4.42 Parametri achiziţionaţi la închiderea întrerupătorului tip GL 311 (AREVA) întrerupătorului tip GL 311 (AREVA) 31

39 După achiziţionarea semnalelor de pe întrerupătorul de 123 kv, GL 311 (AREVA) se observă că parametrii obţinuţi sunt în conformitate cu cei specificaţi de către producătorul echipamentului în cartea tehnică a acestuia, Anexa 2. Astfel, valoarea cursei contactelor mobile obţinute este în limitele specificate de către producător şi anume 150±4 mm. De asemenea, se poate verifica că viteza contactelor mobile este în conformitate cu cea indicată de producător, atât la închidere, cât şi la deschidere, cu precizarea că viteza de deschidere (aproximativ 6,5 m/s) este mai mare ca cea de închidere (aproximativ 4,5 m/s). Aceste măsurători oferă informaţii valoroase despre starea întrerupătorului şi permit, în cele mai multe cazuri acurateţe în verificarea prezenţei sau absenţei unor anomalii. Monitorizarea tensiunii operative ajută la verificarea tensiunii de alimentare a mecanismului de acţionare şi a circuitelor electrice. În unele cazuri, dacă valoarea tensiunii măsurate este în afara limitelor prevăzute, arată că sunt probleme în circuitele de comandă şi auxiliare, respectiv în sistemul care asigură tensiunea operativă. În cazul de faţă, valoarea obţinută a tensiunii operative este în limitele prevăzute în cartea tehnică a întrerupătorului, 230 V. Monitorizarea curenţilor pe cele trei faze ne dă valoarea curentului deconectat pentru a putea fi folosită în calcularea electroeroziunii contactelor, împreună cu numărul de comutaţii efectuat şi timpul de existenţă a arcului electric. Determinarea electroeroziunii oferă informaţii despre starea contactelor şi pot conduce la: indicarea momentului când ar trebui înlocuite contactele, eliminarea costurilor nejustificate etc. Sistemul de monitorizare și diagnosticare prin procesarea şi analizarea datelor achiziţionate oferă informaţii despre starea tehnică reală a întrerupătorului Monitorizarea şi diagnosticarea întrerupătoarelor de medie tensiune Instalaţia experimentală Intrerupător de medie tensiune Mecanism de acţionare Panoul de comandă, semnalizare şi control Traductoare Fig.4.44 Instalaţia experimentală Sistem de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice În Fig.4.44 este reprezentată instalaţia experimentală utilizată pentru monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice de comutaţie (întrerupătoare) din instalaţiile electrice de medie tensiune, [13], [101]. Aceasta cuprinde: un întrerupător de medie tensiune, respectiv un sistem de monitorizare şi diagnosticare alcătuit din senzori/traductoare, respectiv structura hardwaresoftware dedicată. Întrerupătorul de pe care s-au achiziţionat date în vederea diagnosticării este de tipul IO 20 kv/1250 A, cu mecanism de acţionare cu acumulare de energie în resorturi, de tip MRI, având parametri nominali prezentaţi în Anexa 1, [58]. Importanţa acestor tipuri de întrerupătoare este dată de numărul mare al acestora existent în 32

40 exploatare şi de îmbătrânirea lor. În cele mai multe cazuri, înlocuirea acestora cu altele mai fiabile este neeconomică, având în vedere costurile de achiziţie mari, respectiv, uneori, de importanţă mică a consumatorilor. Ca o consecinţă se încearcă mărirea duratei de viaţă rămasă a întrerupătoarelor existente în rețelele electrice. În Fig.4.45 este prezentată schema electrică de conectare a SIMDE pe un întrerupător de medie tensiune de tip IO. ~ 230Vca ~ BM SF M~ M ~ SF LCM P 230 Vc.a Sursa alimentare SIMDE + Rd BI CSA 1RI BD EI Shunt RI ED _ Re Shunt Traductor cursa Cursa contactelor mobile Curentul prin bobina de deschidere Curentul prin bobina de închidere SIMDE Iniţiere închidere Iniţiere deschidere Tensiunea operativă Curent faza L1 Curent faza L2 Curent faza L3 SD SI Circuite de control şi auxiliare Întrerupător Fig.4.45 Schema electrică de conectare a SIMDE pe un întrerupător de medie tensiune Parametrii monitorizaţi şi stări ale întrerupătorului În Tab.4.12 sunt prezentaţi parametrii consideraţi pentru diagnosticare şi domeniul de variaţie a acestora, parametri ce sunt necesari în vederea stabilirii stării tehnice a întrerupătorului. Tab.4.12 Parametrii consideraţi pentru monitorizarea şi diagnosticarea întrerupătoarelor de medie tensiune Nr. Unitatea Domeniu de variaţie Parametrii consideraţi crt. de măsura Minim Maxim 1 Curentul prin bobina electromagnetului de deschidere A 0,7 0,8 2 Curentul prin bobina electromagnetului de închidere A 0,7 0,8 3 Aria profilului curentului prin bobina de deschidere A s 0,55 0,63 4 Aria profilului curentului prin bobina de închidere A s 0,55 0,63 5 Tensiunea operativă medie V Cursa contactelor mobile mm Viteza la deschidere a contactelor mobile m/s 4,5 6 8 Viteza la închidere a contactelor mobile m/s 3,7 5,2 9 Timpul de deschidere ms Timpul de închidere ms Analiza adecvată a acestor parametri ajută la identificarea anumitor situaţii anormale în funcţionarea întrerupătorului. Dacă valoarea unuia sau a mai multor parametri prezentaţi în 33

41 Tab.4.12 depăşesc domeniile lor de variație, acest lucru ne indică faptul acele caracteristici ale întrerupătorului sunt anormale. În continuare, în Tab.4.13 sunt prezentate stările în care se poate afla întrerupătorul, atunci când se sesizează variaţii ale mărimilor urmărite, posibile cauze ale situaţiilor anormale, respectiv natura şi locul de manifestare a acestora. Tab.4.13 Stări ale întrerupătoarelor de medie tensiune Nr. Crt. Starea întrerupătorului Posibile cauze ale situaţiilor anormale Natura si locul manifestării 1 Stare normală Stare anormală, tensiune scăzută în Apariţia scurtcircuitelor în bobinele Defecte electrice în circuitele de circuitele auxiliare electromagneţilor de închidere sau control şi auxiliare relee, întreruperea circuitului 3 Stare anormală, tensiune mărită în circuitele auxiliare Întreruperea circuitului Defecte electrice în circuitele de control şi auxiliare 4 Stare anormală, energie acumulată în resorturi mărită sau micşorată Reglaje incorecte, respectiv schimbări în proprietăţile fizice ale Defecte mecanice în mecanismul de acţionare materialelor resorturilor 6 Stare anormală, cursa liberă a Ajustări incorecte ale Defecte mecanice în circuitele de armăturii electromagnetului mărită sau electromagneţilor micşorată control şi auxiliare (defecte la electromagnet) 7 Stare anormală, curent prin electromagnet mărit sau micşorat Lipsa lubrifierii, tensiune operativă în afara domeniului de variaţie Defecte mecanice şi electrice în circuitele de control şi auxiliare 8 Alte stări anormale Montare incorectă a traductoarelor Defecte la traductoare Pe întrerupătorul studiat s-au realizat diverse tipuri de defecte ce ar putea surveni în exploatare, iar cu ajutorul aplicaţiei software pentru monitorizarea şi diagnosticarea echipamentelor electrice se pot observa variaţiile parametrilor urmăriţi. Se analizează efectele pe care le produce defectul asupra parametrilor supravegheaţi din Tab Situaţiile anormale de funcţionare întâlnite pe acest tip de întrerupător cu mecanism de acționare cu acumularea energiei în resorturi pot fi generalizate la orice tip de întrerupător de medie tensiune, respectiv de înaltă tensiune la care mecanismul de acţionare este cu resorturi. În continuare se prezintă următoarele cazuri de situaţii anormale, [11], [12], [46]: defecte electrice în circuitul de control şi auxiliare: tensiune operativă mărită, respectiv redusă, defecte ale electromagneţilor; defecte mecanice în mecanismul de acţionare cu privire la energia acumulată în resorturi; defecte la traductorul de deplasare Defecte realizate pe întrerupător şi interpretarea datelor b) Defecte la electromagneţi Monitorizarea curentului prin bobinele electromagneţilor oferă informaţii privind momentul începerii şi sfârşitului mişcării armăturii mobile şi totodată momentul deschiderii contactelor auxiliare. Eventualele modificări ale acestora reprezintă defecte cauzate de existenţa unor frecări mari sau reglaje incorecte. 34

42 În Fig.4.47 este dată evoluţia curentului prin bobina de deschidere înregistrată în cazul unui întrerupător de 24 kv acţionat cu mecanism cu resort. Se pot observa cele trei momente şi anume: A-start armătură; B-stop armătură; C-deschidere contact auxiliar. În Fig.4.48 sunt prezentate înregistrările I b (A) 0,9 A curentului prin bobina de deschidere, tensiunii C 0,7 operative, respectiv cursei şi vitezei contactului 0,5 B mobil pentru valori reglate ale întrefierului 0,3 armăturii electromagnetului de deschidere de 3 0,1 mm, 7 mm, 9 mm, respectiv 12 mm. Se consideră t (ms) Fig.4.47 Evoluţia curentului prin bobina de deschidere valoarea de referinţă ca fiind cea de 9 mm. În Tab.4.15 sunt prezentate valorile parametrilor care sunt influenţate de către modificarea cursei libere a armăturii electromagnetului de deschidere. U op Rezultatele experimentale obţinute oferă următoarele informaţii: X (mm) v 0,06 (m/s) se observă întârzieri în apariţia v momentelor precizate, pentru δ=12 mm I b δ=9 mm întrefierul de 12 mm, ceea ce δ=7 mm determină o deplasare spre dreapta a δ=3 mm cursei contactului mobil, respectiv a vitezei acestuia. De asemenea, Timp (ms) pentru valori ale întrefierului mai mici decât cea nominală se observă că momentele precizate apar mai repede, având drept consecinţă deplasarea spre stânga a cursei contactelor mobile, respectiv a vitezei acestora. U op 0,83 (V) I b 0,005 (A) Fig.4.48 Evoluţiile cursei (X), respectiv vitezei (v) contactului mobil, tensiunii operative (U op ) şi curentului prin bobina electromagnetului (I b ) la diverse valori ale întrefierului armăturii electromagnetului X aria profilului curentului prin bobina electromagneţilor creşte odată cu mărirea cursei libere a electromagnetului, respectiv scade odată cu micşorarea acesteia. Valorile maxime ale curentului prin bobina electromagnetului în cazurile analizate au valori apropiate. Tab.4.15 Parametri monitorizaţi ai întrerupătorului cu defecte la electromagnet Nr. crt. Cursa libera armătură electromagnet, δ Tensiune operativa medie, U opm Cursa, X Viteza, v Curentul prin bobina electromagnet, I b Aria profilului curentului, PA (mm) (%) (V) (%) (mm) (m/s) (%) (A) (%) (A s) (%) , ,8 5, , , ,3 215,7 99,45 216,2 5, , , , ,7 218,4 100, , ,75 97,2 0, , , ,98 95,2 0, ,

43 valorile maxime ale cursei şi vitezei contactelor mobile, se află în domeniul precizat de către producător; valoarea medie a tensiunii scade odată cu creşterea cursei libere a armăturii electromagnetului, respectiv creşte cu scăderea acesteia Logica fuzzy în diagnosticarea întrerupătoarelor de putere O abordare interesantă în vederea realizării diagnosticării stării tehnice a întrerupătoarelor de putere o reprezintă utilizarea inteligenţei artificiale. Inteligenţa artificială este un domeniu căruia i se acordă o atenţie sporită deoarece poate realiza controlul, conducerea, respectiv diagnosticarea unor sisteme cu un grad ridicat de incertitudine. În cadrul inteligenţei artificiale se regăsesc: logica fuzzy, reţelele neuronale, sistemele expert etc. Logica fuzzy este o metodologie de abordare a incertitudinii şi de tratare a informaţiei imprecise a problemelor complexe, cu numeroase aplicaţii în sistemele de reglare şi de procesare a informaţiei, [70]. Logica fuzzy este utilizată în domenii diverse, cum ar fi: mecanica, robotica, energetica etc. În domeniul monitorizării şi diagnosticării echipamentelor electrice, aceasta este folosită intens în diagnosticarea transformatoarelor de putere Sistem fuzzy pentru diagnosticarea întrerupătoarelor Un sistem cu logica fuzzy pentru diagnosticarea întrerupătoarelor este prezentat în Fig.4.52, fiind compus din: intrările sistemului, baza de cunoştinţe, fuzzificare, inferenţa fuzzy (aplicare set de reguli), defuzzificare, respectiv din ieşirile sistemului. Baza de cunoştinţe Cursa contactelor mobile Întrerupător de putere Dispozitiv de monitorizare Viteza contactelor mobile Tensiunea operativă Curentul prin bobina electromagnetului Aria profilului curentului prin bobina electromagnetului Fuzzificare Inferenţe Fuzzy (Reguli DACĂ/ATUNCI) Defuzzificare Diagnosticare întrerupător Fig.4.52 Structura unui sistem fuzzy utilizat pentru diagnosticarea întrerupătoarelor Fuzificarea este etapa în care se stabilesc funcţiile de apartenenţă pentru fiecare variabilă de intrare (apreciere), după care se continuă cu acceptarea unei anumite tehnici de calcul (în general de nuanţă statistică). μ Mică Normală Mare μ Mică Normală Mare Viteza contactelor mobile (m/s) Cursa contactelor mobile (mm) Fig.4.53 Funcţiile de apartenenţa şi categoriile lingvistice pentru variabilele de intrare în vederea diagnosticării întrerupătoarelor de putere 36

44 Regulile adoptate pentru sistemul fuzzy de diagnosticare a întrerupătoarelor sunt următoarele: 1) DACĂ cursa contactelor mobile ESTE normală ŞI viteza contactelor mobile ESTE normală ŞI tensiunea operativă medie ESTE normală ŞI curentul prin bobina electromagnetului ESTE normal ŞI aria profilului curentului prin bobina electromagnetului ESTE normală ATUNCI Stare întrerupător ESTE normală, fără defect. 2) DACĂ cursa contactelor mobile ESTE normală ŞI viteza contactelor mobile ESTE normală ŞI tensiunea operativă medie ESTE mică ŞI curentul prin bobina electromagnetului ESTE mic ŞI aria profilului curentului prin bobina electromagnetului ESTE normală ATUNCI Stare întrerupător ESTE anormală, tensiune scăzută în circuitele auxiliare şi de control. 4) DACĂ cursa contactelor mobile ESTE normală ŞI viteza contactelor mobile ESTE normală ŞI tensiunea operativă medie ESTE normală ŞI curentul prin bobinele electromagneţilor ESTE normal ŞI aria profilului curentului prin bobina electromagnetului ESTE mare ATUNCI Stare întrerupător ESTE anormală, cursa liberă a armăturii electromagnetului mărită. Defuzificarea are în vedere obţinerea din informaţia fuzzy a unor mărimi scalare asociate variabilelor de ieşire acestea redate, de asemenea, sub forma unei mulţimi fuzzy (practic un interval de verosimilitate). Este operaţia prin care se deduc mărimile de ieşire şi se interpretează rezultatele obţinute. O altă serie de metode sunt folosite pentru obţinerea unor valori ferme din valori fuzzy. Acestea poartă numele de metode de defuzzificare. Cea mai răspândită metoda de defuzificare este metoda centroidului; alte metode utilizate în studiul sistemelor fuzzy sunt metoda înălţimii, metoda ariilor sau metoda ariei maxime Aplicaţie software pentru diagnosticarea întrerupătoarelor pe baza logicii fuzzy Aplicaţia software pentru monitorizarea şi diagnosticarea întrerupătoarelor de putere bazată pe logica fuzzy a fost realizată în mediul de programare LabVIEW. Aceasta implică citirea datelor achiziţionate de către dispozitivul de monitorizare, procesarea şi introducerea acestora ca date de intrare pentru sistemul cu logica fuzzy. Sistemul fuzzy a fost realizat utilizând modulul PID and Fuzzy logic din mediul de programare LabVIEW. În Fig.4.54 este prezentat panoul frontal al aplicaţiei software cu variabilele lingvistice de intrare, respectiv de ieşire, valorile lingvistice şi regulile generate de către sistemul Fig.4.54 Panoul frontal al aplicaţiei software de diagnosticare a întrerupătoarelor pe baza logicii fuzzy a) stare anormală, cursa liberă a armăturii mobile a electromagnetului este micşorată fuzzy. Atunci când parametrii monitorizaţi nu sunt în limitele prevăzute de către sistemul fuzzy, se 37

45 generează o avertizare, prin aprinderea unui led virtual, în dreptul regulii respective. În exemplu redat, Fig.4.54a, pe panoul frontal se prezintă cazul când variabila lingvistică de intrare şi anume aria profilului curentului prin bobina electromagneţilor scade odată cu micşorarea cursei libere a electromagnetului. Sistemul fuzzy pentru diagnosticarea întrerupătoarelor de putere, prin interpretarea regulilor ce îl guvernează, generează o avertizare în dreptul stării anormale sesizate (stare anormală cursa liberă a armăturii electromagnetului este micşorată). Aplicaţia realizată permite monitorizarea unor parametri importanţi în vederea diagnosticării întrerupătoarelor, respectiv identificarea unor stări anormale ale întrerupătorului prin aplicarea setului de reguli ce guvernează sistemul fuzzy Concluzii În vederea realizării diagnosticării stării tehnice a unui echipament electric este necesară supravegherea în timp real a unui număr important de parametri ai acestuia. Acest lucru implică existenţa unor structuri hardware-software de monitorizare, diagnosticare, control şi comandă ale echipamentelor electrice. Se prezintă un sistem de monitorizare și diagnosticare (SIMDE) care poate fi utilizat în supravegherea parametrilor caracteristici atât pe întrerupătoare de înaltă tensiune cât și de medie tensiune fără a fi nevoie de alte setări hardware, software etc. Printre parametrii monitorizaţi de către sistem se regăsesc: cursa contactelor mobile; curenţii prin bobina electromagneţilor de închidere şi deschidere; tensiunea operativă; curenţii pe faze etc. Aceste măsurători oferă informaţii valoroase despre starea întrerupătorului şi permite, în cele mai multe cazuri, acurateţe în verificarea prezenţei sau absenţei unor anomalii. Pentru a permite utilizatorului o interfaţare cu structura hardware-software de monitorizare şi diagnosticare - SIMDE, a fost realizată o aplicaţie în mediul de programare LabVIEW SIMDE-software, în vederea unei interpretări mai uşoare a datelor. Aplicaţia software asigură printre altele: încărcarea fişierelor; citirea datelor achiziţionate; calcularea parametrilor achiziţionaţi; procesarea datelor; vizualizarea valorilor şi formelor de undă; fixarea unor nivele de atenţionare/alarmare pentru mărimile monitorizate; întocmirea unui raport special cu referire la starea tehnică a întrerupătorului supravegheat. Pe un întrerupător de medie tensiune s-au realizat diverse tipuri de defecte ce ar putea surveni în exploatare. Analiza adecvată a parametrilor monitorizaţi ajută la identificarea situaţiilor anormale în funcţionarea întrerupătorului, respectiv poate detecta un defect al întrerupătorului. Situaţiile anormale întâlnite pe acest tip de întrerupător cu acumularea energiei în resorturi pot fi generalizate la orice tip de întrerupător de medie tensiune, respectiv de înaltă tensiune care are mecanism de acţionare cu resorturi. Pentru identificarea stărilor anormale în funcţionarea întrerupătorului de medie tensiune, s-a realizat un sistem de diagnosticare bazat pe logica fuzzy. Aceasta poate fi un instrument util în analizarea datelor obţinute de pe întrerupător, în detectarea defectelor, respectiv în luarea deciziei în legătură cu acesta. 38

46 Cap.5. Contribuţii la realizarea unui sistem de asset management 5.1. Introducere Sectorul energetic reprezintă infrastructura strategică de bază a economiei naţionale şi o utilitate publică cu un puternic impact social. Echipamentele electrice dintr-o companie electrică sunt de o importanţă deosebită în sistemul de alimentare cu energie a consumatorilor. În staţiile electrice, funcţionarea fără riscuri a echipamentelor electrice este importantă deoarece avariile neprevăzute şi întreruperile pot duce la incidente grave, respectiv la costuri și daune ridicate ce sunt de nedorit într-un mediu tot mai competitiv. Apariţia şi dezvoltarea puternică a tehnologiilor informaţiei, care permit crearea şi colectarea informaţiei, deschid noi posibilităţi de monitorizare, diagnosticare, control/comandă şi conducere a echipamentelor electrice, activităţi de bază în cadrul unor sisteme performante de asset management (AM). Se constată că tehnologia clasică nu permite, în general, furnizarea unor asistenţe dorite în momentele oportune. În acest context, tehnicile inteligenţei artificiale cum ar fi: logica fuzzy, reţele neuronale artificiale, sisteme expert, algoritmi genetici, se dovedesc instrumente foarte eficiente de rezolvare. Utilizarea de modele şi structuri de inteligenţă artificială (logica fuzzy etc.) în scopul rezolvării unor probleme legate de luarea deciziei de mentenanţă în legătură cu echipamentele electrice şi nu numai, va permite în final să se ajungă la obţinerea unei soluţii optime atât din punct de vedere tehnic, cât şi economic. Sistemul de management al activelor propus reprezintă o structură ierarhizată ce se poate utiliza atât la nivelul unei staţii electrice, cât şi a unei companii de electricitate, pentru determinarea ordinii la mentenanţă a echipamentelor electrice Arhitectura unui sistem de asset management Un sistem de AM al unei staţii de transformare a unei companii de electricitate urmăreşte, în ansamblu, să cuantifice starea tehnică a echipamentelor electrice pe baza datelor istorice şi în timp real şi să stabilească o ierarhie a activităţilor de mentenanţă. Etapele implementării unui sistem de AM sunt următoarele: repartizarea pe grupe de echipamente, echipamente, ansamble şi subansamble ale tuturor echipamentelor din cadrul unei staţii electrice dintr-o companie de electricitate; stocarea şi selecţionarea datelor referitoare la caracteristicile tehnice şi parametrii de funcţionare; calcularea indexului de importanţă pentru grupe de echipamente, echipamente, în funcţie de caracteristicile tehnice, respectiv economice; calcularea indexului de deteriorare a stării tehnice a fiecărui echipament pe baza parametrilor obţinuţi cu dispozitive de monitorizare dedicate; 39

47 generarea de diagrame şi rapoarte de stare; stabilirea unei ierarhii în privinţa priorităţii la activităţile de mentenanţă a echipamentelor electrice. În Fig.5.1 este reprezentată arhitectura unui sistem de asset management, care permite luarea deciziei oportune în legătură cu echipamentele electrice gestionate de către o companie de electricitate. Echipament I Sistem de monitorizare I Echipament II Sistem de monitorizare II Aplicaţie software de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor Aplicaţie software de asset management: - calculul importanţei echipamentelor, grupelor de echipamente, staţiilor; Echipament n Sistem de monitorizare n Staţia electrică I Staţia electrică II Staţia electrică j Transmitere date - calculul indexului de stare tehnică a echipamentelor; - calculul indexului de deteriorare a stării tehnice a echipamentelor; - ordinea la mentenanţă a echipamentelor în funcţie de gradul de influenţă a importanţei, respectiv deteriorării stării h i Fig. 5.1 Arhitectura unui sistem de asset management Cum se poate observa în Fig.5.1, un sistem de AM implică existenţa unor: sisteme locale de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice din stațiile de transformare; aplicaţii software de monitorizare şi diagnosticare a echipamentelor electrice la nivelul fiecărei staţii electrice; sisteme de transmitere a datelor către o unitate centrală de procesare a datelor; aplicaţie software care are drept scop luarea deciziilor în legătură cu activele companiei de electricitate pe baza analizei importanţei, respectiv deteriorării stării tehnice a acestora. De aceea, achiziţia informaţiilor, analizarea acestora şi transformarea în cunoştinţe are drept scop menţinerea în condiţii de siguranţă şi continuitate în funcţionare a instalaţiilor electrice Aplicaţia software de asset management Sistemul de management al activelor propus reprezintă o structură ierarhizată ce se poate utiliza la nivelul unei companii de electricitate, staţii electrice, indiferent de tipul acesteia, pentru monitorizarea funcţionării în condiţii de eficienţă a echipamentelor electrice. Scopul său îl reprezintă determinarea priorităţii la activitatea de mentenanţă. 40

48 În vederea realizării aplicaţiei software de AM s-a utilizat mediul de programare LabVIEW, o platforma software de programare grafică a National Instruments. Aplicaţia software de AM a fost gândită ca un sistem modular, ce se poate dezvolta în funcţie de necesităţi. Realizarea aplicaţiei software de asset management pentru determinarea ordinii la mentenanţă a activelor (întrerupătoarelor) unei companii de electricitate presupune parcurgerea a cinci etape şi anume: prima etapă calculează importanţa întrerupătoarelor, din grupa de echipamente întrerupătoare, dintr-o staţie electrică, cu ajutorul unei fişe de determinare a importanţei; a doua etapă permite determinarea stării tehnice a echipamentelor, din staţia electrică cu ajutorul unor dispozitive de monitorizare şi diagnosticare dedicate; a treia etapă stabileşte decizia de mentenanţă (menţinere în funcţiune, reparare, respectiv modernizare, înlocuire sau relocare) cu ajutorul logicii fuzzy; a patra etapă permite determinarea priorităţii la activităţile de mentenanţă pentru echipamentele considerate cu defect, luate în analiză, cu ajutorul indexurilor importanţei, respectiv a deteriorării stării tehnice. Această deteriorare este rezultatul solicitării complexe (electrice, mecanice, termice etc.) la care sunt supuse echipamentele pe durata exploatării acestora; a cincea etapă stabilește ordiniea la mentenanţă în funcţie de gradul de influenţă a indexurilor amintiţi anterior Instrument virtual pentru calcularea importanţei întrerupătoarelor Acest instrument realizează gestiunea interfeţei între utilizator şi programele de calcul care implementează algoritmul de determinare a importanţei întrerupătoarelor. Instrumentul virtual permite calcularea importanţei întrerupătoarelor din cadrul unei staţii electrice cu criteriile amintite mai sus. Pentru aceasta se introduc datele cu privire la un întrerupător (criteriu de evaluare, pondere), apoi prin apăsarea butonului Întrerupător verificat, instrumentul calculează evaluarea totală a acestuia. Se reiau paşii anteriori pentru fiecare întrerupător existent în cadrul grupei de întrerupătoare, pentru a stabili evaluările totale ale acestora, respectiv pentru a calcula importanţa fiecăruia în cadrul grupei de echipamente, prin apăsarea butonului Calculează importanţă. Datele cu valorile importanţelor întrerupătoarelor sunt salvate în fişiere de tip text pentru a putea fi importate de către instrumentul virtual al stabilirii ordinii la mentenanţă. Panoul frontal Panoul frontal al instrumentului virtual care permite cuantificarea importanţei întrerupătoarelor din cadrul unei companii de electricitate este prezentat în Fig.5.2. El conţine următoarele câmpuri (zone): câmp de control (selectare) al criteriilor de evaluare a întrerupătoarelor, pentru a putea diferenţia elementele de pe acelaşi nivel ierarhic şi anume nivel de tensiune, mediu de stingere şi izolant, costul aparatului, costuri de mentenanţă, respectiv daune datorate nefuncţionării. Se permite alegerea unei trepte a scării de evaluare a fiecărui criteriu care 41

49 are atribuită o nota de la 1 la 10. De exemplu, în cadrul criteriului nivel de tensiune, valoarea scării de evaluare maxime - 10 este redată nivelului de tensiune de 400 kv, valoarea - 8 este redată nivelului de 220 kv, valoarea - 6 este atribuită nivelului de 110 kv, respectiv valoarea - 2 este asociată nivelului de 20 kv. câmp de control al ponderilor criteriilor care permite alegerea ponderii criteriului în evaluarea totală a întrerupătorului. Criteriul considerat cel mai important din punct de vedere al evaluării importanţei va avea ponderea cea mai mare. câmp de comandă pentru verificarea întrerupătorului, respectiv calcularea importanţei echipamentelor verificate. De asemenea, se poate vizualiza calea unde va fi salvată şi numele fişierului de tip.txt cu valorile Fig.5.2 Panoul frontal al instrumentului virtual pentru calculul importanţei întrerupătoarelor importanţelor întrerupătoarelor Instrument virtual pentru estimarea ordinii la mentenanţă În aceasta parte a aplicaţiei software a sistemului de AM sunt introduse datele monitorizate de către dispozitivele dedicate acestui scop printre care amintim: sistemul inteligent de monitorizare şi diagnosticare (SIMDE), dispozitiv de monitorizare (BCM) etc. Printre parametrii consideraţi în vederea stabilirii stării tehnice a întrerupătoarelor, se regăsesc: electroeroziunea contactelor, abateri ale caracteristicilor cinematice, respectiv vârsta acestuia. Aplicaţia poate fi uşor configurabilă în vederea introducerii unui număr cât mai mare de parametri în evaluarea stării tehnice a întrerupătoarelor. Rolul acestui instrument virtual este de a importa datele care au fost achiziţionate cu ajutorul sistemelor de monitorizare, datele cu valorile importanţei pentru echipamentele considerate cu defect, respectiv importanţei grupei de echipamente cu scopul calculării indexurilor: stării tehnice a echipamentelor la momentul iniţial; stării tehnice a echipamentelor la momentul actual; deteriorării stării tehnice; importanţei. De asemenea, instrumentul virtual permite stabilirea ordinii la mentenanţă, prin compararea lungimilor segmentelor de dreaptă d 1,, d n, n număr de echipamente, calculate cu 42

50 relaţia (3.8), unde α este unghiul care modelează gradul de influenţă a indexurilor importanţei, respectiv a deteriorării stării tehnice asupra ordinii activităților de mentenanță. În funcţie de cum stabilim gradul de influenţă a indexurilor importanţei, respectiv deteriorării stării tehnice a echipamentelor electrice putem avea mai multe clasamente în ceea ce priveşte ordinea la mentenanţă. Instrumentul virtual permite configurarea unghiului α şi calcularea segmentelor de dreapta (d) la valoare respectivă a unghiului, respectiv realizează salvarea automată a acestora în fişiere de tip text. De asemenea, instrumentul virtual permite generarea de rapoarte de stare, prin apăsarea butonului Generare raport stare în care sunt redate sub formă tabelară valorile numerice ale indexurilor calculaţi, sub formă grafică repartiţia echipamentelor în planul de coordonate a indexurilor de deteriorare a stării tehnice, respectiv de importanţă, precum şi momentul şi data generării acestuia. Panoul frontal Panoul frontal al instrumentului virtual care permite stabilirea ordinii de mentenanţă a întrerupătoarelor din cadrul unei staţii electrice, respectiv a unei companii de electricitate este reprezentat în Fig.5.4. El conţine următoarele câmpuri: câmp de raportare tabelară a numărului de întrerupătoare verificate, a importanţei grupei de echipamente, a indexurilor stării tehnice la momentul iniţial, stării tehnice la momentul actual, importanţei echipamentului verificat în cadrul grupei din care face parte, deteriorări stării tehnice, respectiv stabileşte ordinea la mentenanţă; câmp de raportare grafică utilizat pentru vizualizarea repartiţiei întrerupătoarelor considerate cu defect, în planul de coordonate a indexurilor de importanţă, respectiv de deteriorare a stării tehnice, în vederea stabilirii priorităţii la mentenanţă; Fig. 5.4 Panoul frontal al stabilirii ordinii la mentenanţă câmp de control al selectării gradului de influenţă a indexului de importanţă, respectiv de deteriorare a stării tehnice (ajustare unghi α), respectiv al salvării automate a datelor în fişiere de tip text; câmp de comandă a generării de rapoarte de stare, cu opţiunea de selectare a trimiterii acestuia la imprimantă, respectiv într-o pagina WEB. 43

51 Instrument virtual pentru determinarea ordinii la mentenanţă în funcţie de gradul de influenţă a indexului importanţei şi a deteriorării stării tehnice Acest instrument virtual importă datele salvate anterior ale segmentelor de dreapta d la diverse valori ale unghiului α, pentru a le centraliza într-un tabel, respectiv pentru a le afişa sub formă grafică. Panoul frontal Panoul frontal al instrumentului virtual care permite stabilirea ordinii la mentenanţă în funcţie de gradul de influenţă a indexului de importanţă, respectiv a deteriorării stării tehnice este redat în Fig.5.8. El conţine următoarele câmpuri: câmp de raportare tabelară a evoluţiei ordinii la mentenanţă în funcţie de gradul de influenţă a indexului de importanţă, respectiv a deteriorării stării tehnice; câmp de raportare grafică a priorităţii la mentenanţă; câmp de introducere a fişierelor cu valorile Fig. 5.8 Panoul frontal al evoluţiei ordinii la mentenanţă în funcţie de gradul de influenţă al indexului de importanţă, respectiv de deteriorare a stării tehnice segmentelor de dreapta d Aplicaţie software de luare a deciziei de mentenanţă pe baza logicii fuzzy Cu ajutorul modelelor şi structurilor de inteligenţă artificială se caută rezolvarea unor problematici cu grade ridicate de incertitudine, de exemplu: luarea deciziei de mentenanţă în legătură cu echipamentele gestionate de către o companie de electricitate; monitorizarea şi diagnosticarea întrerupătoarelor de putere, problematică tratată în 4.4.3; diagnosticarea defectelor transformatoarelor; clasificarea defectelor utilizând reţele Kohonen; estimarea localizării descărcărilor parţiale la transformatoarele de putere; optimizarea proiectării dispozitivelor electromagnetice etc. În ceea ce priveşte luarea deciziei de mentenanţă a întrerupătoarelor de putere, aplicaţia bazată pe logica fuzzy trebuie să permită ca în funcţie de mărimile de intrare (indexurile importanţei, respectiv a deteriorării stării tehnice) să stabilească deciziile de mentenanţă pentru 44

52 echipamentele considerate cu defect, Baza de cunoştinţe la un moment dat şi anume: Fuzzificare Inferenţa Fuzzy (Reguli Defuzzificare menţinere în funcţiune, reparare, respectiv modernizare, relocare sau înlocuire. IF/THEN) Un sistem cu logica fuzzy - Index importanţă; - Index deteriorare pentru luarea deciziei la mentenanţă stare tehnică. Luarea deciziei de mentenanţă: a echipamentelor din cadrul unei Echipamentele - menţinere; staţii electrice, respectiv a unei dintr-o - reparare; companie de - modernizare; companii de electricitate este Sisteme de electricitate - înlocuire. monitorizare (întrerupătoare, prezentat în Fig.5.10, fiind compus transformatoare, separatoare etc.) Sistem de asset din următoarele blocuri: intrările management sistemului; baza de cunoştinţe; Fig.5.10 Sistem fuzzy utilizat pentru luarea deciziei de mentenanţă a echipamentelor dintr-o companie de electricitate fuzzificare; inferenţa fuzzy (aplicare set de reguli); defuzzificare; ieşirile sistemului. Aplicaţia software realizată pentru luarea deciziei de mentenanţă a echipamentelor electrice din cadrul unei companii de electricitate a fost concepută, în mediul de programare LabVIEW, ca fiind parte componentă a aplicaţiei software de AM. Mărimile de intrare ale sistemului fuzzy sunt indexul de importanţă şi indexul de deteriorare a stării tehnice a întrerupătoarelor. În Fig.5.11 este prezentat panoul frontal al aplicaţiei software care permite vizualizarea variabilelor lingvistice de intrare şi de ieşire, valorilor lingvistice, regulilor stabilite în cadrul sistemului fuzzy, respectiv avertizarea prin aprinderea unui led, în dreptul regulii corespunzătoare mărimii de ieşire. Variabilele lingvistice Fig Panoul frontal al aplicaţiei de luare a deciziei de mentenanţă bazată de intrare în vederea luării pe logica Fuzzy deciziei la mentenanţă a echipamentelor pe baza logicii fuzzy sunt indexul de importanţă, respectiv de deteriorare a stării tehnice a întrerupătoarelor 1, 2, n, iar variabilele lingvistice de ieşire ale sistemului sunt: luarea deciziei de mentenanţă a întrerupătoarelor 1, 2, n,. Variabilele lingvistice de intrare includ următoarele valori lingvistice: mică, medie, respectiv mare, în timp ce variabilele de ieşire 45