Πραγματικού Χρόνου Παρακολούθηση Αντικεραυνικών σε Κάδους GIS 10kV: Ενίσχυση της Ασφάλειας του Συστήματος Ηλεκτροδότησης των Σιδηροδρόμων

1 Ερευνητικό Φοντ

Τα μεταλλικά-οξειδικά προστατευτικά στοίχηματα, τα οποία είναι κατασκευασμένα μέσα σε κάψουλες, υφίστανται συνεχώς την τάση του συστήματος, δημιουργώντας κίνδυνο γήρανσης, ακόμη και καταστροφών/εκρήξεων που μπορούν να προκαλέσουν ηλεκτρικά πυρκαγιές. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η τακτική επιθεώρηση/υποστήριξη. Η παραδοσιακή εξέταση με κύκλο 3-5 χρόνια (αποσύνδεση, απομάκρυνση του προστατευτικού στοιχείου για δοκιμές; επανεγκατάσταση εάν αντικατασταθεί) παρουσιάζει κίνδυνους ασφάλειας και αντιμετωπίζει δυσκολίες στην εφαρμογή προτύπων λόγω χώρου/περιβάλλοντος.

2 Αρχή Παρακολούθησης του 10kV GIS Cabinet Surge Arrester

Για να εξασφαλιστεί η ασφάλεια των υψηλών ταχεών σιδηροδρόμων, είναι απαραίτητη η πραγματική χρονική παρακολούθηση της κατάστασης του 10kV GIS cabinet arrester, η κρίση της χρησιμότητας και η εγκαίρως αντικατάσταση των ληξιπρόθεσμων, οπότε η ανάπτυξη ενός συστήματος παρακολούθησης είναι απαραίτητη.

Κατά την κανονική λειτουργία του GIS cabinet, τα προστατευτικά στοίχηματα εμφανίζουν υψηλή αντίσταση· κατά τη διάρκεια σφάλματος στο έδαφος, απελευθερώνουν ενέργεια και στη συνέχεια επαναφέρουν γρήγορα υψηλή αντίσταση για να εμποδίσουν το ρεύμα στο έδαφος. Στην κανονική κατάσταση, το ρεύμα διαρροής (δεκάδες μΑ, ~10μΑ αντιστατικό συστατικό) είναι μικρό. Η γήρανση ή η βλάβη από υγρασία αυξάνει το αντιστατικό ρεύμα διαρροής, αλλά μικρές παραβιάσεις προκαλούν μη σημαντικές αυξήσεις, που εμποδίζουν την εγκαίρως ανίχνευση των κινδύνων και απειλούν την ασφάλεια του σιδηροδρόμου. Συνεπώς, απαιτούνται ανάλυση και μέθοδοι αντιστατικού ρεύματος (αντιστάθμιση, συνολικό ρεύμα διαρροής, τρίτη αρμονική).

Για την αύξηση της ασφάλειας, σχεδιάστηκε ένα σύνολο παρακολούθησης ρεύματος διαρροής (αρχή στο Σχήμα 1). Παρακολουθεί επιλογικά προστατευτικά στοιχεία online, επεξεργάζοντας παραμέτρους όπως το ρεύμα διαρροής. Κατά την ενεργοποίηση, ξεκινά, ελέγχει τους αισθητήρες, αντιμετωπίζει σφάλματα και ανεβάζει δεδομένα σε διακομιστές μέσω 5G για απομακρυσμένη παρακολούθηση.

3 Υλοποίηση του Συστήματος Παρακολούθησης για τα Surge Arresters σε GIS Cubicles των 10kV Substations

Σύμφωνα με την αρχή παρακολούθησης, το σύστημα σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε. Κάθε υποσύστημα παρακολούθησης online surge arrester μεταφέρει δεδομένα στο εσωτερικό σύστημα της υποσταθμίδας. Μπορεί να συλλέγει παραμέτρους όπως τον αριθμό λειτουργιών των προστατευτικών στοιχείων, το ρεύμα διαρροής, τα χρονοσημεία λειτουργίας (ακριβώς σε δευτερόλεπτα) και το κορυφαίο ρεύμα αποστολής κατά τη διάρκεια των λειτουργιών.

Τα surge arresters χρησιμοποιούν αισθητήρες ρεύματος διαρροής με zero-flux για την απόκτηση σημάτων συνολικού ρεύματος. Αυτά τα σήματα υποβάλλονται σε Fast Fourier Transform (FFT) - ένα αποτελεσματικό αλγόριθμο που μειώνει την υπολογιστική πολυπλοκότητα, επιτρέποντας την ταχεία υπολογισμό Fourier transforms και των αντίστροφών τους, καθιστώντας το ένα απαραίτητο μαθηματικό εργαλείο στα συστήματα ενέργειας. Το FFT διασπά τα σήματα ρεύματος για την αναγνώριση των αρμονικών συνιστωσών και την ανάλυση των αρμονικών βάσει συχνότητας.

Το GIS στις 10kV substations υφίσταται σοβαρή ρύπανση τρίτης αρμονικής, η οποία αυξάνει τις απώλειες του συστήματος, αυξάνει τις φορτίες και παρεμποδίζει την παρακολούθηση των προστατευτικών στοιχείων - απειλώντας την ασφάλεια και τη σταθερότητα του συστήματος ενέργειας του σιδηροδρόμου. Συνεπώς, το σύστημα χρησιμοποιεί τη μέθοδο της τρίτης αρμονικής: ανάλυση δεδομένων "τρίτης αρμονικής" (τρεις φορές την 50Hz βασική συχνότητα) που διασπάται μέσω FFT. Το ολοκληρωμένο σύστημα παρακολούθησης συνδέεται με τους αισθητήρες των προστατευτικών στοιχείων μέσω διευθύνσεων RS485, επιτρέποντας τη συλλογή δεδομένων από έως και 32 switchgear arresters.

3.1 Μεταφορά Δεδομένων και Νοημοσύνη Ανάλυσης

Το ολοκληρωμένο σύστημα παρακολούθησης χρησιμοποιεί ένα 5G μέτρο επικοινωνίας για την ταχεία μεταφορά δεδομένων εξέτασης στην εφαρμογή cloud. Η πλατφόρμα αναλύει τις καταστάσεις λειτουργίας των προστατευτικών στοιχείων, ενεργοποιεί ειδοποιήσεις για ανωμαλίες και επιστρέφει δεδομένα περιοδικά. Η αυτοματοποιημένη ανάλυση δεδομένων παράγει συστάσεις - π.χ., εγκαίρως αντικατάσταση προστατευτικών στοιχείων ή προβλέψεις βίωσης. Το σύστημα απόκτησης υποστηρίζει προγραμματισμένες μεταφορές δεδομένων και ενεργοποίηση κατά την εμφάνιση ανωμαλιών (όπως φαίνεται στο Σχήμα 2).

3.2 Λειτουργία και Διαχείριση του Συστήματος

Μετά την υλοποίηση, το μοναδικό επεξεργάζεται συνολικά ρεύμα, τρίτη αρμονική και δεδομένα λειτουργίας για τον υπολογισμό του συνολικού ρεύματος, του αντιστατικού ρεύματος και των πληροφοριών λειτουργίας - τα οποία μεταφέρονται στην cloud μέσω 5G. Η πλατφόρμα cloud εμφανίζει καμπύλες βίωσης προστατευτικών στοιχείων και ειδοποιήσεις λειτουργίας, επιτρέποντας την πραγματική χρονική παρακολούθηση της βίωσης και της λειτουργίας. Η εφαρμογή backend της υποσταθμίδας αποθηκεύει όλα τα δεδομένα εξέτασης, με προσαρμόσιμες συχνότητες/χρονοδιαστάσεις εγκαίρως ανεβάζει. Εάν το ρεύμα διαρροής υπερβαίνει το 10% της βάσης, το σύστημα ενεργοποιεί ειδοποιήσεις.

Οι βασικές τεχνικές παραμέτρους ορίζονται όπως στο Πίνακας 1. Το σύστημα παρακολούθησης εγκαταστάθηκε και λειτουργεί, με την επισκόπηση συμβαδίζει με τους προγράμματας διατήρησης της εξοπλισμού. Επιτυγχάνει τη διαχείριση της βίωσης των προστατευτικών στοιχείων, την πραγματική χρονική παρακολούθηση και τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας διατήρησης - επιτυγχάνοντας υψηλότερα πρότυπα διαχείρισης συστημάτων ενέργειας.

4 Συμπέρασμα

Το σύστημα πραγματικής χρονικής παρακολούθησης της λειτουργικής κατάστασης των προστατευτικών στοιχείων σε GIS cubicles των 10kV substations μεταφέρει τα συλλεγμένα δεδομένα στο backend σύστημα παρακολούθησης μέσω 5G ασύρματης μεταφοράς. Παράλληλα, στο backend σύστημα παρακολούθησης, παράγει καμπύλες αλλαγών βίωσης προστατευτικών στοιχείων και ειδοποιήσεις λειτουργίας, επιτρέποντας την πραγματική χρονική ανίχνευση της κατάστασης βίωσης και λειτουργίας των προστατευτικών στοιχείων.

Η σχεδίαση και η υλοποίηση αυτού του συστήματος ενισχύουν την ακρίβεια της παρακολούθησης λειτουργίας των προστατευτικών στοιχείων σε GIS cubicles των 10kV substations, μειώνουν το κόστος διατήρησης και προλαμβάνουν μεγάλα ατυχήματα. Επιπλέον, βελτιώνει την ασφάλεια ενέργειας για τη λειτουργία των υψηλών ταχεών σιδηροδρόμων.