Проектирането на система за детекция на информация за дефектите в релейната защита на трансформаторна станция

I. Въведение

През последните години, с постоянното разширяване на мащаба на електрическата мрежа, подстанциите, като ключови възли в електроенергийната система, играят важна роля за осигуряване на надеждността на цялата електрическа мрежа чрез своето безопасно и стабилно функциониране. Релейната защита служи като първа линия на отбрана за безопасното функциониране на подстанциите. Точността и бързината на релейната защита са пряко свързани със стабилността на електроенергийната система. Ефективното откриване на информацията за дефектите на системата за релейна защита на подстанцията, навременното идентифициране и преодоляване на потенциални дефектни ситуации, имат голямо значение за гарантиране на безопасното функциониране на електроенергийната система.

Традиционните методи за откриване на дефекти в релейната защита в основата си се основават на ръчни проверки и регулярно поддръжка. Тези методи не само са времепоглъщащи и изискват много работа, но и не могат да постигнат реално време наблюдение. В резултат, те са склонни да пропуснат ранни сигнали за дефекти. С постоянно развитие на информационните технологии, особено на компютърните и комуникационните технологии, модерните системи за откриване на информацията за дефектите на релейната защита на подстанциите започват да използват автоматизирани методи. Чрез реално време събиране на данни, тези системи могат да постигнат реално време наблюдение на състоянието на релейната защита и бързо локализиране на дефекти.

Ето защо, настоящата работа предлага система за откриване на информацията за дефектите на релейната защита на подстанциите, базираща се на модерни информационни технологии, и подробно обяснява нейната хардуерна структура, софтуерен дизайн и експериментални резултати.

II. Дизайн на хардуерната структура на системата
(1) Главен компютър

Дизайнът на главния компютър директно влияе върху производителността на цялата система. Неговата хардуерна структура използва C8051F040 единичен микрокомпютър като основен процесор. C8051F040 единичен микрокомпютър е високопроизводителен и нисковолтен микроконтролер, който интегрира богати периферни ресурси, включително аналогови и цифрови входно-изходни портове, таймер/броячи, UART, SPI и I2C комуникационни интерфейси и други. Тези характеристики правят C8051F040 напълно подходящ за основен процесор на главния компютър, способен да удовлетвори изискванията за високоскоростна обработка на данни и сложна контролна логика.

За да се гарантира реално време наблюдателна способност на системата, в дизайна на главния компютър е използван високопроизводителен наблюдателен модул. Този модул типично включва високоскоростен АЦП (Аналогово-цифров преобразувател), ЦАП (Цифрово-аналогов преобразувател) и схеми за наблюдение на напрежението и тока. Той може да събира и преобразува електрически параметри в реално време, предоставяйки точни данни за диагностика на дефекти.

Същевременно, главният компютър трябва да комуникира с нижния компютър и дистанционния център за наблюдение. Дизайнът включва различни комуникационни интерфейси, като RS-232, RS-485 и Ethernet. Тези интерфейси гарантират бързата передача на данни и способността за дистанционно управление.

За да се облекчат операторите при наблюдение и управление на системата, главният компютър е снабден с интерфейс за взаимодействие между човек и машина, обикновено състоящ се от LCD дисплей и клавиатура. Операторите могат да използват тези интерфейси за реално време наблюдение на състоянието на системата.

(2) Сензор за откриване на изолация

За да се отговори на изискванията за ремонтиране на DC системите в старите електроцентрали и подстанции, персоналът е проектирал високоточен отделим сензор за откриване на изолация. Използвайки напредъшни електронни технологии и материали, този сензор разполага с висока чувствителност, висока стабилност и дълг срок на употреба, и може да работи стабилно дори в сурови условия.

Високата точност е ключов показател на сензора за откриване на изолация. Използвайки напредъшни алгоритми за откриване и електронни компоненти, той може точно да открива малки изменения в изолацията, гарантирайки точността и навременността на информацията за дефектите.

Чрез модернизация и ремонтиране на термоизолационните устройства на DC системите в старите електроцентрали и подстанции и използване на високоточни отделими сензори за откриване на изолация, безопасността на системата може значително да се повиши. Тези сензори разполагат с високоточни способности за откриване и могат навременно да откриват дефекти на изолацията, което ефективно предотвратява възникването на аварии .

(3) Модул за ранно откриване

За да се подобри точността и скоростта на реакция при ранни предупреждения, този модул обикновено интегрира двустранен механизъм за активно и пасивно ранно предупреждение.

Активното ранно предупреждение означава, че системата активно открива електрически параметри. Веднъж, когато параметрите се отклонят от нормалния диапазон, се генерира сигнал за ранно предупреждение. Активното ранно предупреждение обикновено се основава на високопроизводителни сензори и устройства за събиране на данни. Тези устройства могат да наблюдават ключови параметри, като ток, напрежение и честота в реално време, и да анализират съответните данни чрез вградени алгоритми, за да определят дали има потенциални рискове за дефект. Пасивното ранно предупреждение, от друга страна, включва анализ на съответстващите електрически параметри и издаване на сигнал за ранно предупреждение след като системата получи външни сигнали. Например, когато устройството за релейна защита в подстанцията действа, пасивният модул за ранно предупреждение ще бъде активиран незабавно, за да анализира причината за действието и да определи дали са необходими допълнителни мерки за обработка, както е показано на фигура 1.

Фигура 1 Проект на хардуерната структура

В проекта на хардуерната структура на модула за ранно откриване, комбинирането на активно ранно предупреждение и пасивно ранно предупреждение може значително да подобри способността за ранно предупреждение и скоростта на реакция на системата. Активното ранно предупреждение може да наблюдава електрически параметри в реално време и бързо да идентифицира потенциални рискове за дефект; докато пасивното ранно предупреждение може незабавно да реагира при конкретни събития и да проведе детайлен анализ на причините за дефектите.

За ефективно комбиниране на тези два метода за ранно предупреждение, в хардуерния проект трябва да се вземат предвид следните ключови елементи:

• Избор на сензори и устройства за събиране на данни: Трябва да се изберат високоточни сензори и устройства за събиране на данни, за да се гарантира точността на данните.

• Способности за обработка и анализ на данни: Модулът за ранно откриване трябва да разполага с мощни способности за обработка и анализ на данни, за да бързо идентифицира аномални данни и да направи решения за ранно предупреждение.

• Комуникационни интерфейси и протоколи: Модулът трябва да поддържа множество комуникационни интерфейси и протоколи, за да облекчи размена на данни с други системи или устройства.

• Надеждност: Хардуерният проект трябва да гарантира, че модулът може да работи стабилно в крайни условия и да приложи необходими мерки за безопасност, за да предотврати грешки в управлението и неавторизиран достъп .

III. Софтуерен дизайн на системата
(1) Симулация и моделиране на характеристиките на дефектната нагрузка

Основата на системата за откриване на информацията за дефектите на релейната защита на подстанциите се намира в нейния софтуерен проект, особено в построяването на статични и динамични модели на нагрузката. Тези модели се стремят да опишат активната и реактивна мощност на нагрузката по време на функционирането на системата, както и бавните промени в напрежението и честотата, и обикновено се изразяват чрез полиномни модели. Статичният модел на нагрузката обикновено се изразява като:

където P и Q представляват активна и реактивна мощност съответно, V е напрежението, P0, Q0, V0са стойностите в референтното състояние, а n и m са коефициенти на характеристиките на нагрузката.

Динамичният модел на нагрузката е сравнително сложен. Той взема предвид динамичната реакция на нагрузката на промените в напрежението и честотата, включително множество временни константи, за да смоделира скоростта на реакцията на нагрузката на промените в напрежението и честотата. Динамичният модел на нагрузката може да се изрази чрез серия от диференциални уравнения, които описват скоростта на изменение на мощността на нагрузката във времето.

В софтуерния проект, тези модели се интегрират в системата за откриване на информацията за дефектите на релейната защита, за да наблюдават и анализират състоянието на функционирането на подстанцията в реално време. Системата събира реално време данни, включително ток, напрежение, мощност и др., и използва тези модели за изчисления, за научно идентифициране на потенциални дефектни ситуации .

(2) Събиране на информацията за дефектите

За да се гарантира надеждността на устройствата за релейна защита, дизайнът на системата за откриване на информацията за дефектите е особено важен, особено частта, свързана със събирането на информацията за дефектите. Тази част обикновено се разделя на три модула: събиране на информацията в стационарно състояние, събиране на информацията за преходни състояния и управление на файловете за състоянието.

Модулът за събиране на информацията в стационарно състояние е основно отговорен за събиране на електрическите параметри на подстанцията по време на нормално функциониране, като напрежение, ток, мощност и др. Тези данни са основа за оценка на състоянието на функциониране на електроенергийната мрежа и също така са важни за анализа и прогнозиране на дефекти. Този модул обикновено включва три подмодула: събиране на данни, обработка на данни и съхранение на данни. Подмодулът за събиране на данни получава електрически параметри в реално време чрез интерфейс с системата за наблюдение на подстанцията; подмодулът за обработка на данни провежда предварителен анализ на събраните данни, премахва аномални стойности и форматира данните; подмодулът за съхранение на данни съхранява обработените данни в база данни за последващ анализ.

Модулът за събиране на информацията за преходни състояния се фокусира върху засичане на преходни събития в електроенергийната мрежа, като краткосрочни замыкания, прекъсвания и други дефекти. Тези преходни събития често са придружени от остри промени в електрическите параметри, затова са необходими високоскоростни и високоточни устройства за събиране на данни. Този модул обикновено включва три подмодула: високоскоростно събиране на данни, идентификация на преходни събития и съхранение на данни за събития. Подмодулът за високоскоростно събиране на данни може да записва промените в електрическите параметри с микро-секундна резолюция; подмодулът за идентификация на преходни събития прецени дали е настъпил дефект и точно идентифицира типа на дефекта според предварително зададени алгоритми; подмодулът за съхранение на данни за събития съхранява идентифицираната информация за дефектите в специфична база данни, което е благоприятно за детайлния анализ от страна на персонала.

Модулът за управление на файловете за състоянието е отговорен за управление и поддръжка на файловете за състоянието на устройствата за релейна защита на подстанцията, и регистрира ключова информация, включително подробности за конфигурацията, състоянието на функциониране и исторически записи за дефекти на защитните устройства. Той обикновено включва четири подмодула: генериране, актуализация, търсене и резервно копиране. Подмодулът за генериране генерира начален файл за състоянието в съответствие с фактическата конфигурация на защитните устройства; подмодулът за актуализация актуализира файла за състоянието, когато параметрите или конфигурацията на устройствата се променят; подмодулът за търсене позволява на потребителите да търсят информацията в файла за състоянието; подмодулът за резервно копиране периодично прави резервни копия на файла за състоянието, за да се избегне ефективно загубата на данни.

(3) Откриване на информацията за дефектите

Когато слой за управление на подстанцията получи сигнал за тревога "Грешка в свързването на съчетаната мрежа на линия A" от релейната защита, системата трябва незабавно да започне процеса за откриване на информацията за дефектите, за да потвърди дали този сигнал за тревога е единственият източник, тоест дали други устройства също са изпратили подобни сигнали за тревога. В този пример, ако други устройства не изпратят сигнали за тревога, системата ще се фокусира върху информацията за "Грешка в свързването на съчетаната мрежа на линия A".

За да се обработи и анализира информацията за дефектите по-ефективно, системата е проектирана с пет комбинации от виртуални терминали и точки на дефект, както е показано в таблица 1.

Всеки виртуален терминал е отговорен за различни задачи, от наблюдение на състоянието на свързването на мрежата до предоставяне на решения, формирайки пълен процес за обработка на дефектите. Чрез гореспоменатия софтуерен проект, системата за откриване на информацията за дефектите на релейната защита на подстанцията може ефективно да открива информацията за дефектите и да гарантира безопасното функциониране на подстанцията. Особено, когато се получи сигнал за тревога "Грешка в свързването на съчетаната мрежа на линия A", системата може незабавно да отреагира и да предприеме съответни мерки, за да минимизира въздействието на дефекта върху електроенергийната система .

IV. Експериментална верификация
(1) Структура на мрежовата топология

Структурата на мрежовата топология на системата за откриване на информацията за дефектите на релейната защита за 500 кВ подстанция, введена в експлоатация през 2023 г., строго спазва основните принципи на висока надеждност, висока наличност и лесна поддръжка. Тази система използва иерархична и разпределена мрежова архитектура, и нейните стъпки за реализация са добре организирани, включително следните елементи.

• Събиране на данни: Чрез сензори и устройства за събиране на данни, инсталирани в различни ключови възли на подстанцията, се събират в реално време оперативни данни за устройствата за релейна защита.

• Передаване на данни: Използвайки мрежови комуникационни технологии, събраните данни се предават навременно и точно до центъра за обработка на данни.

• Анализ на данни: В центъра за обработка на данни, се използват високопроизводителни компютри и професионални програми за анализ, за да се анализират данните, да се идентифицират аномални модели и потенциални дефекти.

• Диагностика на дефектите: Щом се засече аномалия, системата автоматично провежда диагностика на дефектите, за да определи типа и местоположението на дефекта.

• Сигнал за тревога и реакция: Системата уведомява персонала за обслужване и поддръжка за информацията за дефектите чрез система за сигнали за тревога и предоставя предварителни препоръки за обработка на дефектите.

• Обработка на дефектите: Персоналът за обслужване и поддръжка може незабавно да предприеме мерки за обработка на дефектите, според информацията и препоръките, предоставени от системата, за да се гарантира стабилното функциониране на електроенергийната мрежа.

(2) Експериментални резултати и анализ

В експеримента са използвани две системи за откриване: едната е стандартна система за онлайн откриване на вторичната верига на релейната защита на подстанцията, базирана на SCD файл, а другата е система за откриване на информацията за дефектите на релейната защита на подстанцията, базирана на пространствено-времеви анализ. Двете системи са били тестирани в една и съща подстанция, за да се гарантира сравнимостта на резултатите [8].

Експерименталните данни показват, че максималните изолационни напрежения на положителната и отрицателната шина, измерени от системата, базирана на SCD файл, са съответно 192,1 В и 191,4 В, докато съответните стойности, измерени от системата, базирана на пространствено-времеви анализ, са 190,3 В и 210,23 В съответно. Конкретните данни са показани в таблица 2.