Häufige Fehler und Behandlungen von Umspannwerksautomatisierungssystemen

1. Strukturale Klassifizierung von Unterstation-Automatisierungssystemen
1.1 Verteilte Systemstruktur

Die verteilte Systemstruktur ist eine technische Architektur, die die Datenerfassung und -steuerung durch die kooperative Arbeit mehrerer dezentraler Geräte und Steuerungseinheiten realisiert. Dieses System besteht aus mehreren funktionalen Modulen, einschließlich Überwachungs- und Datenspeichereinheiten. Diese Module sind über ein zuverlässiges Kommunikationsnetzwerk miteinander verbunden und führen Unterstationsautomatisierungsvorgänge gemäß vordefinierter Steuerlogik und -strategien durch.

In einer verteilten Struktur verfügt jede Einheit über unabhängige Verarbeitungsleistung und Entscheidungsfunktionen, was die automatische Steuerung und Fehlerdiagnose in einem lokalen Bereich ermöglicht.

Gleichzeitig können diese Einheiten Daten in Echtzeit an ein zentrales Steuersystem übertragen, und die Unterstation kann über eine Fernüberwachungsplattform zentral verwaltet werden. Im Vergleich zu traditionellen zentralisierten Steuerungssystemen bieten verteilte Systeme höhere Flexibilität und Redundanz, was den Einfluss von Einzelpunktfehlern effektiv vermeiden und die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems verbessern kann. Die verteilte Systemstruktur kann komplexere Automatisierungsfunktionen unterstützen, wodurch Unterstationen flexibel auf komplexe Stromnetzumgebungen reagieren und die Sicherheit und Stabilität der Stromversorgung gewährleistet werden können.

1.2 Zentrale Systemstruktur

Die zentrale Systemstruktur nimmt eine zentrale Steuereinheit als Kern und verwaltet und koordiniert den Betrieb verschiedener Geräte in der Unterstation durch zentrale Datenverarbeitung und -steuerungsfunktionen. Diese Struktur besteht aus einem zentralen Steuerungssystem und intelligenten elektronischen Geräten. Das zentrale Steuerungssystem ist dafür verantwortlich, Daten von verschiedenen Geräten zu empfangen und zu verarbeiten, und Befehle gemäß Steuerstrategien auszugeben, um eine einheitliche Steuerung und Verwaltung verschiedener Unterstationseinrichtungen zu erreichen.

In einem zentralen System sind alle Überwachungs- und Steuerungsfunktionen in der zentralen Steuereinheit konzentriert, und verschiedene Geräte in der Unterstation sind über ein Hochgeschwindigkeitskommunikationsnetzwerk verbunden. Obwohl diese Struktur eine hohe Einheitlichkeit und Bequemlichkeit in der Systemverwaltung und -wartung bietet, da alle Steuer- und Entscheidungsprozesse auf ein einzelnes zentrales Steuerungssystem angewiesen sind, kann bei einem Ausfall des zentralen Systems die Kontrolle oder der Betrieb der gesamten Unterstation verloren gehen, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Stromsystems beeinträchtigen kann.

1.3 Hierarchische Systemstruktur

Die hierarchische Systemstruktur ist eine Architektur, die Systemfunktionen in mehrere Ebenen unterteilt, wobei jede Ebene für spezifische Aufgaben unabhängig verantwortlich ist. Diese Struktur umfasst in der Regel vier Hauptebenen: die Feldebene, die Steuerungsebene, die Überwachungsebene und die Managementebene. Der Datenaustausch und die Steuerkoordination erfolgen zwischen den Ebenen über ein Hochgeschwindigkeitskommunikationsnetzwerk.Die Feldebene befindet sich am unteren Ende des Systems und besteht hauptsächlich aus intelligenten Geräten und Relaisschutzgeräten in der Unterstation. Die Feldebene ist für grundlegende Aufgaben wie die Erfassung von elektrischen Parametern, die Überwachung des Gerätestatus und die lokale automatische Steuerung verantwortlich.

Die Steuerungsebene liegt zwischen der Feldebene und der Überwachungsebene und besteht hauptsächlich aus fernen Endgeräten und programmierbaren Logiksteuerungen. Die Steuerungsebene ist dafür verantwortlich, Daten aus der Feldebene zu erfassen und die Feldgeräte gemäß Steuerlogik und -strategien zu steuern, um so die automatische Schaltung der Geräte in der Unterstation zu bewerkstelligen.Die Überwachungsebene befindet sich im oberen Mittelteil des Systems und besteht in der Regel aus einem SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition). Die Überwachungsebene ist dafür verantwortlich, Daten aus der Steuerungsebene und der Feldebene zentral zu verarbeiten und zu speichern, den Betriebsstatus der Unterstation in Echtzeit zu überwachen und Funktionen wie Alarmierung und Geräteverwaltung bereitzustellen.

Die Managementebene befindet sich an der Spitze des Systems und ist hauptsächlich für die umfassende Verwaltung und Entscheidungsunterstützung der Unterstation verantwortlich. Die Managementebene bietet Funktionen wie die Gesamtüberwachung und Wartungsverwaltung des Stromsystems, um den koordinierten Betrieb der Unterstation im gesamten Stromnetz sicherzustellen.

2. Häufige Fehler in Unterstation-Automatisierungssystemen
2.1 Kommunikationsnetzfaults

Das Kommunikationsnetzwerk des Unterstation-Automatisierungssystems spielt in modernen Stromsystemen eine entscheidende Rolle, indem es die Echtzeitdatenübertragung und Informationsfreigabe zwischen verschiedenen Geräten ermöglicht. Allerdings können Kommunikationsnetzfaults die automatische Steuerung und Fernüberwachung von Unterstationen erheblich beeinträchtigen und zu instabilerem Betrieb des Stromsystems führen.

Kommunikationseinrichtungen können aufgrund von Alterung oder Qualitätsproblemen ausfallen. Hardwarebeschädigungen an Switches oder Routern können dazu führen, dass Daten nicht normal weitergeleitet werden, und das Abreißen von Leitungen kann zu Kommunikationsunterbrechungen führen. Probleme mit der Stromversorgung sind auch ein wichtiger Grund für Hardwareausfälle. Instabile Stromversorgung kann dazu führen, dass Kommunikationseinrichtungen nicht ordnungsgemäß arbeiten.

Im Kommunikationsnetzwerk von Unterstationen kann elektromagnetische Störung während des Betriebs der Einrichtungen die Qualität der Kommunikationssignale beeinträchtigen, insbesondere für Niederfrequenzsignale oder drahtlose Kommunikation. Starke elektrische und magnetische Felder, die von Hochspannungseinrichtungen im Stromsystem erzeugt werden, können ebenfalls zu Signalabschwächung oder -verzerrung führen und die Zuverlässigkeit der Datenübertragung beeinträchtigen. Signalabschwächung in langen Übertragungsleitungen ist ebenfalls ein häufiges Problem, insbesondere bei der Verwendung von Kabelkommunikation. Das Signal schwächt sich während der Übertragung allmählich ab, was möglicherweise dazu führt, dass das Empfängerende die Daten nicht korrekt empfängt.

2.2 Datenerfassungsfaults

Die Datenerfassung im Unterstation-Automatisierungssystem ist die Grundlage für die Realisierung der Fernüberwachung und der Dispositionsverwaltung. Das Datenerfassungssystem ist dafür verantwortlich, Echtzeitdaten von verschiedenen Geräten in der Unterstation zu erfassen und sie an das zentrale Steuerungssystem oder das SCADA-System zu übertragen. Wenn die Datenerfassung fehlschlägt, kann dies den normalen Betrieb der Unterstation beeinträchtigen und sogar die Sicherheit des Stromsystems gefährden.

Das Datenerfassungssystem basiert auf einer Vielzahl von Hardwareeinrichtungen. Wenn diese Einrichtungen ausfallen, kann die Datenerfassung nicht normal fortgesetzt werden. Sensorschäden oder Alterung können zu ungenauen Messungen wesentlicher Parameter wie Strom oder Temperatur führen. Stromausfälle von fernen Endgeräten (RTUs) oder intelligenten elektronischen Geräten (IEDs) können dazu führen, dass die Geräte nicht starten oder ihren Betrieb einstellen, wodurch die Datenübertragung und -erfassung beeinträchtigt wird.

Die Datenerfassung setzt ein stabiles Kommunikationsnetzwerk voraus, um Daten von Feldeinrichtungen zum zentralen Steuerungssystem zu übertragen. Wenn das Kommunikationsnetzwerk ausfällt, beispielsweise durch Signalausfall oder Datenübertragungsverzögerung, führt dies zum Fehlschlagen der Datenerfassung. Probleme wie beschädigte Kommunikationsleitungen, defekte Netzwerkschalteinrichtungen oder Protokollinkompatibilität beeinträchtigen direkt die Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung.

Wenn die Einrichtungen im Datenerfassungssystem nicht ordnungsgemäß konfiguriert oder kalibriert sind, können die erfassten Daten ungenau oder verloren gehen. Wenn die Einrichtungen bei der Installation nicht nach Spezifikationen parametriert wurden oder später nicht regelmäßig kalibriert werden, kann dies leicht zu Fehlern bei der Datenerfassung führen. Der normale Betrieb des Datenerfassungssystems hängt von der Unterstützung der entsprechenden Softwareplattform oder -programme ab. Wenn in der Software Lücken oder Versionsinkompatibilitäten vorhanden sind, kann die Datenerfassung möglicherweise nicht ordnungsgemäß durchgeführt werden.

2.3 Fehlalarmfehler

Im täglichen Betrieb des Unterstation-Automatisierungssystems kann es den Status der Stromversorgungseinrichtungen in Echtzeit überwachen und Alarmsignale ausgeben, damit zeitnah entsprechende Maßnahmen getroffen werden können. Fehlalarme sind jedoch eines der häufigen Fehlertypen in Automatisierungssystemen. Fehlalarme können nicht nur den normalen Betrieb des Personals stören, sondern auch zu Ressourcenverschwendung und unnötigen Störungen führen. In schweren Fällen können sie sogar zu unangemessenen Notfallreaktionen führen.

Die Alarmfunktion des Unterstation-Automatisierungssystems basiert in der Regel auf festgelegten Schwellenwerten. Wenn diese Schwellenwerte zu empfindlich eingestellt sind oder den tatsächlichen Betriebsbedingungen nicht entsprechen, können häufig Fehlalarme auftreten. Große Spannungsfluktuationen oder transiente Änderungen an Geräten unter bestimmten Betriebsbedingungen können irrtümlich als Fehler interpretiert und Alarmsignale auslösen. Daher ist eine vernünftige Schwelleneinstellung entscheidend, um Fehlalarme zu vermeiden.

Betriebsfehler durch Bediener sind auch ein häufiger Grund für Fehlalarme. Bei der Systemkonfiguration oder Geräteeinrichtung können Fehler durch Bediener zu unvernünftigen Alarmbedingungen oder Fehlalarmen führen. Wenn Bediener das System nicht nach Standardbetriebsverfahren konfigurieren oder die Alarmparameter nicht neu kalibrieren, wenn Geräte ersetzt werden, kann der Gerätestatus nicht mit den Alarmbedingungen übereinstimmen, was zu Fehlalarmen führt.

3. Maßnahmen zur Behandlung häufiger Fehler in Unterstation-Automatisierungssystemen
3.1 Verbesserung des Hardwerekonzeptmanagements

Die Etablierung eines soliden Konzeptmanagements für Einrichtungen ist eine Voraussetzung, um Hardwarefehler zu vermeiden. Unterstationen sollten detaillierte Managementspezifikationen für den gesamten Lebenszyklus von Einrichtungen erstellen, einschließlich Beschaffung und Wartung, um sicherzustellen, dass jede Einrichtung vor der Installation einer strengen Qualitätskontrolle und -annahme unterzogen wird und den technischen Anforderungen entspricht, wenn sie in Betrieb genommen wird. Gleichzeitig sollten für verschiedene Arten von Einrichtungen spezielle Wartungszyklen und Inspektionsstandards festgelegt werden, mit regelmäßigen Inspektionen und Aktualisierungen, um die Lebensdauer der Einrichtungen zu verlängern und Fehler, die durch Alterung oder Schäden an den Einrichtungen verursacht werden, zu reduzieren. 

Zweitens sollten Unterstationen die Überwachung und Dokumentation der Einrichtungen während des Betriebs verstärken. Durch die Echtzeitüberwachung der Einrichtungen können potenzielle Fehlersymptome rechtzeitig erkannt werden. Nutzen Sie ein Online-Monitoring-System, um den Betriebsstatus und wichtige Parameter wie den Strom von Unterstation-Automatisierungseinrichtungen kontinuierlich zu überwachen und die Daten an das zentrale Monitoring-System zu übertragen. Daraufhin sollten regelmäßige Fehlerdiagnosen durchgeführt werden, detaillierte Daten des Betriebs der Einrichtungen dokumentiert und historische Akten gebildet werden, um Fehlerprognosen und -analysen durchzuführen, um anomale Veränderungen der Einrichtungen effektiv zu identifizieren und präventive Maßnahmen zu ergreifen, um Ausfälle zu verhindern.

3.2 Regelmäßige Wartungs- und Servicemaßnahmen
Regelmäßige Wartungsmaßnahmen sollten auch die Wartung des Softwaresystems des Automatisierungssystems umfassen. Der Kern des Automatisierungssystems ist das Computerverwaltungssystem und die Steuerungssoftware. Ihre Betriebssicherheit beeinflusst direkt die Automatisierungsgrad und die Fehlersuchfähigkeiten der Unterstation. Pflegen Sie das Softwaresystem regelmäßig, einschließlich des Aktualisierens und Optimierens des Betriebssystems und der Steueralgorithmen, um sicherzustellen, dass das Software keine "Ausfälle" oder "Abstürze" erleidet, wenn es komplexe Operationen handhabt.Regelmäßige Sicherungsmaßnahmen sind ebenfalls entscheidend, da sie Systemstillstände aufgrund von Programmschäden oder Datenverlust verhindern können. Daher sind regelmäßige Systembackups und Datenwiederherstellungsübungen Teil der Wartungsmaßnahmen.

3.3 Implementierung der Eliminationsmethode

Die Implementierung der Eliminationsmethode erfordert, die Fehlersymptome klar zu definieren und detailliert zu dokumentieren. Bediener sollten die Manifestation des Fehlers schnell auf der Grundlage von Systemalarmsignalen und Geräteleistung identifizieren und die grundlegende Fehlersituation verstehen. Wenn das System Datenverlust oder Übertragungsverzögerung erleidet, sollten Bediener zunächst die Kommunikationsverbindungen aller Teile des Systems überprüfen, um sicherzustellen, dass der Datenübertragungskanal nicht unterbrochen ist. Durch sorgfältige Beobachtung können einige offensichtliche Fehlersymptome ausgeschlossen werden, was sicherstellt, dass die anschließende Fehlersuche gezielter ist.

Die Implementierung der Eliminationsmethode muss bestimmten Schritten folgen. Nehmen wir beispielsweise einen Datenerfassungsfehler im Unterstation-Automatisierungssystem. Zuerst sollte die Erfaßungseinrichtung selbst, wie Sensoren und Transformatoren, überprüft werden, um den Betriebsstatus dieser Geräte zu bestätigen. Wenn die Erfassungseinrichtung in Ordnung ist, sollten dann die Kommunikationsverbindungen und Datenübertragungsprotokolle zwischen den Geräten überprüft werden. Wenn die Kommunikationseinrichtungen und Netzwerkverbindungen normal sind, sollte dann überprüft werden, ob die Softwareeinstellungen des Automatisierungssystems korrekt sind und ob es fehlerhafte Konfigurationen oder Programmfehler gibt. Schließlich wird durch schrittweise Eliminierung die Fehlerquelle letztendlich identifiziert. Diese Methode schränkt effektiv den Suchbereich für Fehler ein, vermeidet blindes Testen und verschwendete Ressourcen.

4. Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Unterstation-Automatisierungssystem eine Vielzahl von Einrichtungen und Technologien umfasst, mit einer großen Bandbreite an Systemfehlern, und dass die Lokalisierung und Behandlung von Fehlern sehr komplex ist. Gleichzeitig können während des Betriebs des Unterstation-Automatisierungssystems einige Einrichtungen aufgrund von Faktoren wie Alterung und Veränderungen der externen Umgebung ausfallen. Wenn diese Fehler nicht rechtzeitig behoben werden, kann dies zu Geräteschäden und einer Verringerung der Systembetriebswirkung führen, was die Wartungs- und Reparaturkosten erhöht. Daher sind Maßnahmen wie die Verbesserung des Hardwerekonzeptmanagements, die Durchführung regelmäßiger Wartungsarbeiten und die Implementierung der Eliminationsmethode erforderlich, um die Fähigkeit zur Fehlererkennung und -prävention zu verbessern.