Применение алгоритмов машинного обучения для распознавания режимов работы электрической сети

1.

«Южно-Уральский государственный университет
(национальный исследовательский университет)»
«Политехнический институт»
Кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения»
Тема выпускной квалификационной работы:
Применение алгоритмов машинного обучения для
распознавания режимов работы электрической сети
Студент: Шмыгаль Р.И.
Группа:П-285
Руководитель:
к.т.н., доц. Хлопова А.В.

2.

Цель и задачи
• Цель работы – исследование режимных параметров
электрической сети 10/0,4 кВ с применением алгоритмов
машинного обучения с целью выявления критериев аварийных
режимов работы.
• Задачи исследования:
1. Провести анализ алгоритмов машинного обучения.
2. Провести математическое моделирование режимов работы
электрической сети 10/0,4 кВ в программном комплексе
MATLAB/Simulink.
3. Исследовать характерные параметры электрической сети
10/0,4 кВ для распознавания режима работы, используя
алгоритмы машинного обучения.
4. Провести оценку применимости алгоритмов машинного
обучения для выбора критерия выявления аварийных режимов
работы электрической сети.
2

3.

Сравнение задач машинного обучения
Кластеризация
Регрессия
Классификация
Контролируемость
обучения
Неконтролируемое
обучение
Контролируемое
обучение
Контролируемое
обучение
Стратегия
Обучение без учителя
Обучение с учителем
Обучение с учителем
Наличие метки класса
Метки класса
обучающего
множества
неизвестны
Метка принимает
любое значение
Обучающее множество
сопровождается
меткой, указывающей
класс, к которому
относится наблюдение
Основание для
классификации
Дано множество
Дано множество
данных с целью
Новые данные
компонентов и меток с целью
установления
классифицируются на
установления зависимости
существования
основании обучающего
меток при изменении
классов или кластеров
множества
компонентов
данных
3

4.

Сравнение алгоритмов машинного обучения и фильтрации
Дерево
решений
Случайный
лес
Градиентный
бустинг
Нейронные
сети
GenericUnivari
ateSelect
Интерпретируемость
Легко
Сложно
Сложно
Сложно
Легко
Точность
Точность
может
варьироваться
Высокая
точность
Высокая
точность
Точность
может
варьироваться
Точность
может
варьироваться
Скорость
вычислений
Быстрое
построение
вычислений
Требует
больших
вычислительных
затрат
Быстрое
построение
вычислений
Возможность
применения в теме
ВКР
+
+
+
Требует больших Требует больших
вычислительных вычислительных
затрат
затрат
+
+
4

5.

Исследуемая электрическая сеть
Простейшая электрическая сеть ВЛ 10/0,4кВ
5

6.

Компьютерная модель MATLAB
Компьютерная модель электрической сети
напряжением 10/0,4 кВ
6

7.

Программный код Python
Используемые библиотеки и
модули:
- NumPy,
- DataFrame,
- Pandas,
- Scikit-learn,
- StandardScaler.
Окно результатов алгоритмов машинного обучения
7

8.

ОФП 10 кВ
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 1 равен:
0,995 о.е. < I2/1.уст.ОФП < 1,006 о.е.
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 2 равен:
0,011 о.е. < U2уст.ОФП < 0,290 о.е.
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 3 равен:
0,059 о.е. < U2уст.ОФП < 0,291 о.е.
8

9.

МКЗ 10 кВ
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 1 равен:
0,001 о.е. < I1уст.МКЗ < 0,045 о.е.
0,937 о.е. < U1уст.МКЗ < 1,000 о.е.
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 2 равен:
0,501 о.е. < U1уст.МКЗ < 0,989 о.е.
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 3 равен:
0,501 о.е. < U1уст.МКЗ < 0,948 о.е.
9

10.

ОЗЗ 10 кВ
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точках 1, 2
примерно одинаков и равен:
0,001 о.е. < U0уст.ОЗЗ < 0,564 о.е.
10

11.

ОФП 0,4 кВ
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 4 равен:
0,096 о.е. < U0/1уст.ОФП < 0,221 о.е.
11

12.

ОНП 0,4 кВ
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 4 равен:
0,093 о.е. < U0уст.ОНП < 0,104 о.е.
12

13.

МКЗ 0,4 кВ
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 3 равен:
0,004 о.е. < U2/1уст.МКЗ < 0,052 о.е.
23,016 А < I2уст.МКЗ < 216,251 А.
Диапазон возможных уставок для устройства защиты в точке 4 равен:
0,134 о.е. < U2/1уст.МКЗ < 0,995 о.е.
13

14.

Сравнение результатов
Сравнение результатов компьютерного моделирования и программного кода для 1 точки
ОФП 10 кВ
ОЗЗ
МКЗ 10 кВ
Uф
–
–
–
U1
–
–
+/+
U2
–
–
–
U0
–
+/+
–
U0/U1
–
+/–
–
U2/U1
–
–
–
I1
–
–
+/+
I2
–
–
–
I2/I1
+/+
–
–
Сравнение результатов компьютерного моделирования и программного кода для 2 точки
ОФП 10 кВ
ОЗЗ
МКЗ 10 кВ
Uф
U1
U2
U0
U0/U1
U2/U1
I1
I2
I2/I1
–
–
–
–
–
+/+
+/+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+/–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
14

15.

Сравнение результатов
Сравнение результатов компьютерного моделирования и программного кода для 3 точки
ОФП 10 кВ
ОЗЗ
МКЗ 10 кВ
ОФП 0,4 кВ
ОНП
МКЗ 0,4 кВ
К(1)
Uф
U1
U2
U0
U0/U1
U2/U1
I1
I2
I2/I1
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+/+
–
–
–
–
+/+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+/–
–
–
–
–
–
–
–
+/+
–
–
–
–
+/–
–
–
–
–
–
–
–
–
+/+
–
–
–
–
–
–
–
–
Сравнение результатов компьютерного моделирования и программного кода для 4 точки
ОФП 10 кВ
ОЗЗ
МКЗ 10 кВ
ОФП 0,4 кВ
ОНП
МКЗ 0,4 кВ
К(1)
Uф
U1
U2
U0
U0/U1
U2/U1
I1
I2
I2/I1
–
–
–
+/–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+/–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+/±
–
–
–
–
–
+/+
–
–
–
–
–
–
–
–
+/+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
15

16.

Результаты:
1. В точке 1 (со стороны источника питания) в качестве критерия распознавания ОФП на
стороне 10 кВ принят параметр I2/I1. Для распознавания ОЗЗ принят параметр U0. В
качестве критерия детектирования МКЗ на стороне 10 кВ выбраны параметры I1 и U1.
2. В точке 2 (в конце воздушной линии 10 кВ) был выбран параметр U2 для распознавания
ОФП
на
стороне
10
кВ.
Для
определения
МКЗ
выбран
критерий U1.
3. В точке 3 (на стороне низкого напряжения трансформатора) также, как и в точке 2 был
выбран параметр U2 для определения ОФП 10 кВ и U1 для определения МКЗ на стороне
10 кВ. Также в данной точке в качестве критерия детектирования МКЗ на стороне 0,4 кВ
были выбраны U2/ U1, а также I2.
4. В точке 4 (на вводе у потребителей электроэнергии) для определения ОНП выбран
критерий U0. Для распознавания МКЗ на стороне 0,4 кВ был выбран критерий U2/ U1.
5. Проведенные исследования могут быть использованы для создания или модернизации
устройств релейной защиты в сетях 10/0,4 кВ.
16

17.

Спасибо за внимание!
Студент: Шмыгаль Р.И.
Группа:П-285
Руководитель:
к.т.н., доцент Хлопова А.В.
17