Methodology for the Accelerated Reliability Analysis and Prognosis of Underground Cables based on FPGA

Abstract

Dependable electrical power distribution systems demand high reliability levels that cause increased maintenance costs to the utilities. Often, the extra costs are the result of unnecessary maintenance procedures, which can be avoided by monitoring the equipment and predicting the future system evolution by means of statistical methods (prognostics). The present thesis aims at designing accurate methods for predicting the degradation of high and medium voltage underground Cross-Linked Polyethylene (XLPE) cables within an electrical power distribution grid, and predicting their remaining useful life, in order inform maintenance procedures. However, electric power distribution grids are large, components interact with each other, and they degrade with time and use. Solving the statistics of the predictive models of the power grids currently requires long numerical simulations that demand large computational resources and long simulation times even when using advanced parallel architectures. Often, approximate models are used in order to reduce the simulation time and the required resources. In this context, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) can be employed to accelerate the simulation of these stochastic processes. However, the adaptation of the physicsbased degradation models of underground cables for FPGA simulation can be complex. Accordingly, this thesis proposes an FPGA-based framework for the on-line monitoring and prognosis of underground cables based on an electro-thermal degradation model that is adapted for its accelerated simulation in the programmable logic of an FPGA.

Energia elektrikoaren banaketa-sare konfidagarriek fidagarritasun maila altuak eskatzen dituzte, eta honek beraien mantenketa kostuen igoera dakar. Kostu hauen arrazoia beraien bizitzan goizegi egiten diren mantenketa prozesuei dagokie askotan, eta hauek eragoztea posible da, ekipamenduaren monitorizazioa eginez eta sistemaren etorkizuneko eboluzioa aurrez estimatuz (prognosia). Tesi honen helburua lurpeko tentsio altu eta ertaineko Cross-Linked Polyethylene (XLPE) kable sistemen eboluzioa eta geratzen zaien bizitza aurreikusiko duten metodo egokiak definitzea izango da, banaketa-sare elektriko baten barruan, ondoren mantenketa prozesu optimo bat ahalbidetuko duena. Hala ere, sistema hauek oso jokaera dinamikoa daukate. Konponente ezberdinek beraien artean elkar eragiten dute eta degradatu egiten dira denboran eta erabileraren ondorioz. Estatistika hauen soluzio analitikoa lortzea ezinezkoa da gaur egun, eta errekurtso asko eskatzen dituen simulazio luzeak behar ditu zenbakizko erantzun bat lortzeko, arkitektura paralelo aurreratuak erabili arren. Field Programmable Gate Array (FPGA)k prozesu estokastiko hauen simulazioa azkartzeko erabil daitezke, baina lurpeko kableen degradazio prozesuen modelo fisikoak FPGA exekuziorako egokitzea konplexua izan daiteke. Beraz, tesi honek FPGA baten logika programagarrian azeleratu ahal izateko egokitua izan den degradazio elektrotermiko modelo baten oinarritutako monitorizazio eta prognosi metodologia bat proposatzen du.

Las redes de distribución de energía eléctrica confiables requieren de altos niveles de fiabilidad, que causan un mayor coste de mantenimiento a las empresas distribuidoras. Frecuentemente los costes adicionales son el resultado de procedimientos de mantenimiento innecesarios, que se pueden evitar por medio de la monitorización de los equipos y la predicción de la evolución futura del sistema, por medio de métodos estadísticos (prognosis). La presente tesis pretende desarrollar métodos adecuados para la predicción de la degradación futura de cables de alta y media tensión Cross-Linked Polyethylene (XLPE) soterrados, dentro de una red de distribución eléctrica, y predecir su tiempo de vida restante, para definir una secuencia de mantenimiento óptima. Sin embargo, las redes de distribución eléctrica son grandes, y compuestas por componentes que interactúan entre sí y se degradan con el tiempo y el uso. En la actualidad, resolver estas estadísticas predictivas requieren grandes simulaciones numéricas que requieren de grandes recursos computacionales y largos tiempos de simulación, incluso utilizando arquitecturas paralelas avanzadas. Las Field Programmable Gate Array (FPGA) pueden ser utilizadas para acelerar las simulaciones de estos procesos estocásticos, pero la adaptación de los modelos físicos de degradación de cables soterrados para su simulación en una FPGA puede ser complejo. Así, esta tesis propone el desarrollo de una metodología de monitorización y prognosis cables soterrados, basado en un modelo de degradación electro-térmico que está adaptado para su simulación acelerada en la lógica programable de una FPGA.