تصميم نظام كشف معلومات الأعطال لحماية محطة التحويل

I. مقدمة

في السنوات الأخيرة، مع استمرار توسع نطاق الشبكة الكهربائية، تلعب محطات التحويل دورًا حيويًا كعقد رئيسية في نظام الطاقة من خلال تشغيلها الآمن والاستقراري للحفاظ على موثوقية الشبكة الكهربائية بأكملها. يعتبر الحماية الالكترونية خط الدفاع الأول لأمان تشغيل محطات التحويل. دقة وسرعة الحماية الالكترونية مرتبطة مباشرة بثبات نظام الطاقة. لذا فإن الكشف الفعال عن معلومات الأعطال لنظام الحماية الالكترونية في محطات التحويل، والكشف والتعرف السريع على الأعطال المحتملة، له أهمية كبيرة لضمان التشغيل الآمن لنظام الطاقة.

تستند الطرق التقليدية لكشف أخطاء الحماية الالكترونية بشكل أساسي على الفحص اليدوي والصيانة الدورية. هذه الطرق ليست فقط تستغرق وقتاً طويلاً وتستهلك جهداً كبيراً ولكنها أيضاً غير قادرة على تحقيق المراقبة الفورية. نتيجة لذلك، يمكن أن يفوتها الإشارات الأولى للأعطال. ومع تطور التكنولوجيا المعلوماتية، خاصة التقدم في تقنيات الكمبيوتر والاتصالات، بدأت أنظمة الكشف الحديثة عن معلومات أخطاء الحماية الالكترونية في محطات التحويل في استخدام الأساليب الآلية. من خلال جمع البيانات الفوري، يمكن لهذه الأنظمة تحقيق المراقبة الفورية لحالة الحماية الالكترونية وتحديد الأعطال بسرعة.

لذلك، يقدم هذا البحث نظام كشف معلومات الأعطال للحماية الالكترونية في محطات التحويل بناءً على التكنولوجيا المعلوماتية الحديثة ويشرح بالتفصيل هيكله المادي وتصميمه البرمجي والنتائج التجريبية.

II. تصميم هيكل النظام المادي
(1) الكمبيوتر الرئيسي

يؤثر تصميم الكمبيوتر الرئيسي بشكل مباشر على أداء النظام بأكمله. يستخدم هيكله المادي شريحة C8051F040 كمعالج رئيسي. تعتبر شريحة C8051F040 شريحة ميكروكنترولر ذات أداء عالٍ واستهلاك منخفض للطاقة تدمج موارد محيطية وفيرة، بما في ذلك المنافذ التناظرية والإلكترونية الرقمية، ومعدّلات الوقت/المعدّلات، وواجهات الاتصال UART و SPI و I2C وغيرها. هذه الخصائص تجعل C8051F040 مناسبة للغاية كمعالج رئيسي للكمبيوتر الرئيسي، قادرة على تلبية متطلبات معالجة البيانات عالية السرعة والمنطق التحكم المعقد.

لتوفير قدرة المراقبة الفورية للنظام، يتم استخدام وحدة مراقبة عالية الأداء في تصميم الكمبيوتر الرئيسي. تتضمن هذه الوحدة عادةً محول تناظري-رقمي (ADC) عالي السرعة، ومحول رقمي-تناظري (DAC)، بالإضافة إلى دوائر مراقبة الجهد والتيار. يمكن لهذه الوحدة جمع وتحويل المعلمات الكهربائية فورًا، مما يوفر دعمًا دقيقًا للبيانات لتشخيص الأعطال.

في الوقت نفسه، يحتاج الكمبيوتر الرئيسي للتواصل مع الكمبيوتر الأسفل ومراكز المراقبة البعيدة. يتم دمج واجهات اتصال مختلفة في التصميم مثل RS-232 و RS-485 وإيثرنت. تضمن هذه الواجهات نقل البيانات بسرعة وقدرة التحكم عن بعد.

لتسهيل مراقبة وتحكم المشغلين في النظام، يتم تجهيز الكمبيوتر الرئيسي بواجهة تفاعل بين الإنسان والحاسوب، عادة ما تتكون من شاشة LCD ولوحة مفاتيح. يمكن للمشغلين استخدام هذه الواجهات لمراقبة حالة النظام فورًا.

(2) مستشعر الكشف عن العزل

للبقاء على احتياجات التجديد لأنظمة التيار المستمر في محطات الطاقة القديمة ومحطات التحويل، تم تصميم مستشعر كشف عزل قابل للفصل ذو دقة عالية. باستخدام التقنيات الإلكترونية المتقدمة والمواد، يتمتع هذا المستشعر بحساسية عالية واستقرار عالٍ وعمر خدمة طويل، ويمكنه العمل بشكل مستقر حتى في البيئات القاسية.

الدقة العالية هي مؤشر أداء رئيسي لمستشعر الكشف عن العزل. من خلال استخدام خوارزميات الكشف المتقدمة والمكونات الإلكترونية، يمكنه الكشف بدقة عن التغيرات الصغيرة في العزل، مما يضمن دقة وتوقيت معلومات الأعطال.

عن طريق تجديد وتجديد أجهزة العزل الحراري لأنظمة التيار المستمر في محطات الطاقة القديمة ومحطات التحويل واستخدام مستشعرات الكشف عن العزل القابلة للفصل ذات الدقة العالية، يمكن تعزيز سلامة النظام بشكل كبير. تتمتع هذه المستشعرات بقدرة على الكشف بدقة عالية ويمكنها الكشف فورًا عن أعطال العزل، وبالتالي منع حدوث حوادث بشكل فعال.

(3) وحدة كشف الإنذار المبكر

لتحسين دقة وسرعة الاستجابة للإنذارات المبكرة، تجمع هذه الوحدة عادةً بين آلية الإنذار المبكر النشط والسلبي.

يعني الإنذار المبكر النشط الكشف الفعال للنظام عن المعلمات الكهربائية. بمجرد انحراف هذه المعلمات عن النطاق الطبيعي، سيتم تنشيط إشارة الإنذار المبكر فورًا. يعتمد الإنذار المبكر النشط عادةً على المستشعرات والأجهزة جامدة البيانات عالية الأداء. يمكن لهذه الأجهزة مراقبة المعلمات الرئيسية مثل التيار والجهد والتردد فورًا وتحليل البيانات ذات الصلة عبر الخوارزميات المدمجة لتحديد ما إذا كان هناك مخاطر محتملة للأعطال. بينما يشمل الإنذار المبكر السلبي تحليل المعلمات الكهربائية ذات الصلة وإصدار إشارة الإنذار المبكر بعد استلام النظام إشارات خارجية. على سبيل المثال، عندما يعمل جهاز الحماية الالكترونية في محطة التحويل، سيتم تنشيط وحدة الإنذار المبكر السلبي فورًا لتحليل سبب التشغيل وتحديد ما إذا كانت هناك حاجة لإجراءات معالجة إضافية، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1 تصميم الهيكل المادي

في تصميم الهيكل المادي لوحدة كشف الإنذار المبكر، يمكن الجمع بين الإنذار المبكر النشط والسلبي تعزيز قدرة النظام على الإنذار المبكر وسرعة الاستجابة بشكل كبير. يمكن للإنذار المبكر النشط مراقبة المعلمات الكهربائية فورًا والكشف بسرعة عن مخاطر الأعطال المحتملة؛ بينما يمكن للإنذار المبكر السلبي الرد بسرعة عند حدوث أحداث معينة وتحليل الأسباب الأساسية للأعطال بشكل معمق.

لدمج هذين الطريقتين من الإنذار المبكر بشكل فعال، يجب النظر في العناصر الرئيسية التالية في التصميم المادي:

• اختيار المستشعرات وأجهزة جمع البيانات: يجب اختيار مستشعرات وأجهزة جمع بيانات ذات دقة عالية لضمان دقة البيانات.

• قدرات معالجة البيانات وتحليلها: يجب أن تتمتع وحدة كشف الإنذار المبكر بقدرات قوية لمعالجة البيانات وتحليلها لتتمكن من تحديد البيانات غير الطبيعية واتخاذ قرارات الإنذار المبكر بسرعة.

• واجهات الاتصال والبروتوكولات: يجب أن تدعم الوحدة عدة واجهات اتصال وبروتوكولات تسهل تبادل البيانات مع أنظمة أو أجهزة أخرى.

• الموثوقية: يجب أن يضمن التصميم المادي أن تعمل الوحدة بشكل مستقر في البيئات القاسية وأن تتخذ تدابير الأمان اللازمة لمنع التشغيل الخاطئ والوصول غير المصرح به.

III. تصميم البرنامج
(1) نمذجة المحاكاة لخصائص الحمل العاطل

يتمثل جوهر نظام كشف معلومات الأعطال للحماية الالكترونية في محطات التحويل في تصميم هيكله البرمجي، خاصة في بناء نماذج الحمل الثابت والديناميكي. تهدف هذه النماذج إلى وصف الطاقة النشطة والردفية للحمل أثناء تشغيل النظام، وكذلك التغييرات البطيئة في الجهد والتردد، وعادة ما يتم التعبير عنها باستخدام نماذج متعددة الحدود. يمكن التعبير عن نموذج الحمل الثابت عادةً كالتالي:

حيث P و Q تمثل الطاقة النشطة والردفية على التوالي، V هو الجهد، P0, Q0, V0 هي القيم في الحالة المرجعية، و n و m هي معاملات خصائص الحمل.

نموذج الحمل الديناميكي أكثر تعقيدًا. فهو يأخذ في الاعتبار الاستجابة الديناميكية للحمل للتغيرات في الجهد والتردد، بما في ذلك العديد من الثوابت الزمنية لمحاكاة سرعة استجابة الحمل للتغيرات في الجهد والتردد. يمكن التعبير عن نموذج الحمل الديناميكي كسلسلة من المعادلات التفاضلية التي تصف معدل تغير طاقة الحمل مع مرور الوقت.

في تصميم الهيكل البرمجي، يتم دمج هذه النماذج في نظام كشف معلومات الأعطال للحماية الالكترونية لمراقبة وتحليل حالة تشغيل محطة التحويل فورًا. يقوم النظام بجمع البيانات الفعلية، بما في ذلك التيار والجهد والقوة، وما إلى ذلك، ويستخدم هذه النماذج للحسابات لتحديد حالات الأعطال المحتملة بطريقة علمية.

(2) جمع معلومات الأعطال

لضمان موثوقية معدات الحماية الالكترونية، يكون تصميم نظام كشف معلومات الأعطال مهمًا بشكل خاص، وخاصة الجزء الخاص بجمع معلومات الأعطال. يتم تقسيم هذا الجزء عادةً إلى ثلاثة أجزاء: جمع المعلومات الثابتة، جمع المعلومات العابرة، وإدارة ملفات الحالة.

يقوم جزء جمع المعلومات الثابتة أساسًا بجمع المعلمات الكهربائية لمحطة التحويل أثناء التشغيل الطبيعي، مثل الجهد والتيار والقوة، وما إلى ذلك. تعد هذه البيانات أساسية لتقييم حالة تشغيل الشبكة الكهربائية وهي مهمة أيضًا لتحليل الأعطال والتوقع. يتضمن هذا الجزء عادةً ثلاثة أجزاء فرعية: جمع البيانات، معالجة البيانات، وتخزين البيانات. يقوم جزء جمع البيانات بتجميع المعلمات الكهربائية فورًا من خلال الواجهة مع نظام مراقبة محطة التحويل. يقوم جزء معالجة البيانات بإجراء تحليل أولي للبيانات المجمعة، وإزالة القيم غير الطبيعية، وتنسيق البيانات. يقوم جزء تخزين البيانات بتخزين البيانات المعالجة في قاعدة بيانات لتحليلها لاحقًا.

يركز جزء جمع المعلومات العابرة على التقاط الأحداث العابرة في الشبكة الكهربائية، مثل التفافات الدائرة القصيرة والفتحات، وغيرها من الأعطال. غالبًا ما تترافق هذه الأحداث العابرة بتغيرات حادة في المعلمات الكهربائية، لذا يتطلب الأمر أجهزة جمع بيانات عالية السرعة والدقة. يتضمن هذا الجزء عادةً ثلاثة أجزاء فرعية: جمع البيانات عالية السرعة، تحديد الأحداث العابرة، وتخزين بيانات الأحداث. يمكن لجزء جمع البيانات عالية السرعة تسجيل التغيرات في المعلمات الكهربائية بدقة زمنية ميكروثانية. يقوم جزء تحديد الأحداث العابرة بتحديد ما إذا كان هناك عطل وتحديد نوع العطل بدقة وفقًا للخوارزميات المحددة مسبقًا. يقوم جزء تخزين بيانات الأحداث بتخزين المعلومات المحددة عن العطل في قاعدة بيانات معينة، مما يسهل التحليل العميق من قبل الموظفين.

يقوم جزء إدارة ملفات الحالة بإدارة وصيانة ملفات الحالة لمعدات الحماية الالكترونية في محطة التحويل، ويسجل معلومات رئيسية مثل تفاصيل التكوين، والحالة التشغيلية، وسجلات الأعطال السابقة للمعدات. يتضمن هذا الجزء بشكل أساسي أربعة أجزاء فرعية: إنشاء ملف الحالة، تحديثه، استعلامه، ونسخ احتياطي له. يقوم جزء إنشاء ملف الحالة بإنشاء ملف حالة أولي وفقًا للتكوين الفعلي للمعدات. يقوم جزء تحديث ملف الحالة بتحديث ملف الحالة عند تغيير معلمات المعدات أو التكوين. يسمح جزء استعلام ملف الحالة للمستخدمين باستعلام المعلومات في ملف الحالة. يقوم جزء نسخ احتياطي ملف الحالة بنسخ احتياطي منتظم لملف الحالة لتجنب فقدان البيانات بشكل فعال.

(3) كشف معلومات الأعطال

عندما يتلقى الطبقة المحطة تحذير "خطأ في اتصال الشبكة المدمجة للخط A" من الحماية الالكترونية، يجب على النظام أن يبدأ فورًا عملية كشف معلومات الأعطال لتأكيد ما إذا كان هذا التحذير هو المصدر الوحيد، أي ما إذا كان الأجهزة الأخرى قد أصدرت تحذيرات مماثلة. في هذا المثال، إذا لم تصدر الأجهزة الأخرى تحذيرات، سيركز النظام على معلومات "خطأ في اتصال الشبكة المدمجة للخط A".

للحصول على معالجة وتحليل أكثر فعالية لمعلومات الأعطال، صمم النظام خمسة تجميعات من المحطات الافتراضية ونقاط الأعطال، كما هو موضح في الجدول 1.

تقوم كل محطة افتراضية بمهمات مختلفة، من مراقبة حالة الاتصال بالشبكة إلى تقديم الحلول، مما يشكل عملية كاملة لمعالجة الأعطال. من خلال تصميم الهيكل البرمجي المذكور أعلاه، يمكن لنظام كشف معلومات الأعطال للحماية الالكترونية في محطات التحويل اكتشاف معلومات الأعطال بكفاءة والتأكد من التشغيل الآمن لمحطة التحويل. خاصة عند تلقي تحذير "خطأ في اتصال الشبكة المدمجة للخط A"، يمكن للنظام الاستجابة بسرعة واتخاذ التدابير المناسبة لتقليل تأثير العطل على نظام الطاقة.

IV. التحقق التجريبي
(1) هيكل التوبولوجيا الشبكية

يتم تصميم هيكل التوبولوجيا الشبكية لنظام كشف معلومات الأعطال للحماية الالكترونية في محطة التحويل ذات الجهد 500 كيلو فولت التي تم تشغيلها في عام 2023 بدقة عالية ومن خلال الالتزام بالمبادئ الأساسية للموثوقية العالية والتوافر العالي والصيانة السهلة. يستخدم هذا النظام معمارية شبكة متدرجة وموزعة، ويتم تنظيم خطوات التنفيذ بشكل جيد، ويشمل أساسًا الروابط التالية.

• جمع البيانات: من خلال المستشعرات وأجهزة جمع البيانات المثبتة في العقد الرئيسية المختلفة لمحطة التحويل، يتم جمع بيانات التشغيل لأجهزة الحماية الالكترونية فورًا.

• نقل البيانات: باستخدام تقنية الاتصال الشبكي، يتم نقل البيانات المجمعة إلى مركز معالجة البيانات بشكل دقيق وسريع.

• تحليل البيانات: في مركز معالجة البيانات، يتم استخدام أجهزة كمبيوتر عالية الأداء وبرامج تحليل متخصصة لتحليل البيانات وتحديد الأنماط غير الطبيعية والمخاطر المحتملة للأعطال.

• تشخيص العطل: بمجرد اكتشاف الشذوذ، يقوم النظام تلقائيًا بتشخيص العطل لتحديد نوع ومكان العطل.

• الإنذار والاستجابة: يقوم النظام بإخطار الموظفين المسؤولين عن التشغيل والصيانة بمعلومات العطل من خلال نظام الإنذار ويقدم اقتراحات أولية لمعالجة العطل.

• معالجة العطل: يمكن للموظفين المسؤولين عن التشغيل والصيانة اتخاذ الإجراءات اللازمة لمعالجة العطل بسرعة وفقًا لمعلومات العطل والاقتراحات المقدمة من النظام، مما يضمن التشغيل المستقر للشبكة الكهربائية.

(2) نتائج التجربة والتحليل

استُخدمت نظامين لكشف الأعطال في التجربة: أحدهما نظام كشف ثانوي للدائرة الثانوية للحماية الالكترونية في محطة التحويل التقليدية المستند إلى ملف SCD، والآخر نظام كشف معلومات الأعطال للحماية الالكترونية في محطة التحويل المستند إلى التحليل الزماني والمكاني. تم اختبار كلا النظامين في نفس بيئة محطة التحويل لضمان قابلية مقارنة النتائج [8].

تظهر البيانات التجريبية أن الجهد العازل الأقصى للموصلين الموجب والسالب المقيسة بواسطة نظام الكشف المستند إلى ملف SCD هي 192.1 فولت و191.4 فولت على التوالي، بينما القيم المقابلة المقيسة بواسطة نظام الكشف المستند إلى التحليل الزماني والمكاني هي 190.3 فولت و210.23 فولت على التوالي. تظهر البيانات الخاصة في الجدول 2.

من النتائج التجريبية، يمكن رؤية أن نظام الكشف المستند إلى التحليل الزماني والمكاني لديه قيمة أقل قليلاً للجهد العازل الأقصى للموصل الموجب مقارنة بنظام الكشف المستند إلى ملف SCD، ولكن قيمة أعلى قليلاً للموصل السالب. هذا يشير إلى أن نظام الكشف المستند إلى التحليل الزماني والمكاني يمكنه توفير نتائج قياس أكثر دقة في بعض الحالات. ومع ذلك، فإن هذا الاختلاف ليس كبيرًا. لذا، لفهم أعمق لأداء الفروق بين هذين النظامين، قد يكون من الضروري جمع وتحليل كمية كبيرة من البيانات التجريبية.

V. الخاتمة

يمكن لنظام كشف معلومات الأعطال الجديد للحماية الالكترونية في محطات التحويل الذي تم تصميمه ودراسة في هذا البحث مراقبة حالة عمل أجهزة الحماية الالكترونية فورًا، وتحليل وتشخيص معلومات الأعطال تلقائيًا، ونقل معلومات الأعطال بسرعة إلى الموظفين المسؤولين عن التشغيل والصيانة من خلال تقنية الاتصال الشبكي. وهذا يمكّنهم من اتخاذ تدابير سريعة لمنع تفاقم الأعطال وضمان التشغيل الآمن والاستقراري لنظام الطاقة.