El Disseny del Sistema de Detecció d'Informació de Faltes de Protecció de Relés a Subestacions
I. Introducció
En els darrers anys, amb l'expansió contínua de l'escala de la xarxa elèctrica, les subestacions, com a nodes crucials del sistema elèctric, juguen un paper vital en assegurar la fiabilitat de tota la xarxa elèctrica mitjançant la seva operació segura i estable. La protecció per relés serveix com a primera línia de defensa per a la segura operació de les subestacions. La precisió i rapidez de la protecció per relés estan directament relacionades amb la estabilitat del sistema elèctric. Per tant, detectar eficientment la informació de falles del sistema de protecció per relés de la subestació, identificar i abordar prontament les possibles falles, són d'una gran importància per assegurar la segura operació del sistema elèctric.
Els mètodes tradicionals per detectar falles de protecció per relés es basen principalment en inspeccions manuals i manteniment regular. Aquests mètodes no només són consumidors de temps i recursos, sinó que també no poden assolir la monitorització en temps real. Com a resultat, són propensos a perdre les senyals inicials de falles. Amb el desenvolupament continu de la tecnologia de la informació, especialment avanços en tecnologia informàtica i de comunicacions, els sistemes moderns de detecció d'informació de falles de protecció per relés de subestacions han començat a adoptar mètodes automatitzats. A través de la recopilació de dades en temps real, aquests sistemes poden assolir la monitorització en temps real de l'estat de la protecció per relés i localitzar ràpidament les falles.
Per tant, aquest article proposa un sistema de detecció d'informació de falles de protecció per relés de subestacions basat en tecnologia de la informació moderna i explica detalladament la seva estructura de maquinari, disseny de programari i resultats experimentals.
II. Disseny de l'Estructura de Maquinari del Sistema
(1) Ordinador Central
El disseny de l'ordinador central afecta directament el rendiment de tot el sistema. La seva estructura de maquinari utilitza el microcontrolador C8051F040 com a processador central. El microcontrolador C8051F040 és un microcontrolador de baixa potència i alt rendiment que integra abundants recursos perifèrics, incloent ports d'E/S analògics i digitals, temporitzadors/contadors, UART, SPI i interfícies de comunicació I2C, entre d'altres. Aquestes característiques fan que el C8051F040 sigui altament adequat com a processador central de l'ordinador central, capaç de satisfer les exigències de processament de dades d'alta velocitat i lògica de control complexa.
Per assegurar la capacitat de monitorització en temps real del sistema, s'utilitza una unitat de monitorització de alt rendiment en el disseny de l'ordinador central. Aquesta unitat sol incloure un ADC (Convertidor Analògic-Digitall) de alta velocitat, un DAC (Convertidor Digitall-Analògic), així com circuits de monitorització de tensió/corrent. Pots recollir i convertir paràmetres elèctrics en temps real, proporcionant suport de dades precís per al diagnòstic de falles.
Mentre, l'ordinador central necessita comunicar-se amb l'ordinador inferior i el centre de monitorització remot. El disseny incorpora diverses interfícies de comunicació, com RS-232, RS-485 i Ethernet. Aquestes interfícies asseguren la transmissió ràpida de dades i la capacitat de control remot.
Per facilitar als operadors la monitorització i control del sistema, l'ordinador central també està dotat d'una interfície d'interacció home-màquina, que normalment consta d'una pantalla LCD i un teclat. Els operadors poden utilitzar aquestes interfícies per veure l'estat del sistema en temps real.
(2) Sensor de Detecció d'Aïllament
Per satisfer els requisits de renovació dels sistemes DC en antigues centrals elèctriques i subestacions, el personal ha dissenyat un sensor de detecció d'aïllament de alta precisió desconnectable. Utilitzant tecnologies electròniques i materials avançats, aquest sensor té una alta sensibilitat, estabilitat i llarga durada, i pot funcionar de manera estable fins i tot en entorns adversos.
La precisió elevada és un indicador clau de rendiment del sensor de detecció d'aïllament. Utilitzant algoritmes de detecció avançats i components electrònics, pot detectar amb precisió canvis minuts en l'aïllament, assegurant la precisió i oportunitat de la informació de falla.
Pels upgrades i renovacions dels dispositius d'aïllament tèrmic dels sistemes DC en antigues centrals elèctriques i subestacions, i utilitzant sensors de detecció d'aïllament de alta precisió desconnectables, la seguretat del sistema pot ser significativament millorada. Aquests sensors tenen la capacitat de detecció de alta precisió i poden detectar prontament falles d'aïllament, prevenint efectivament l'ocurrència d'accidents.
(3) Mòdul de Detecció d'Alerta Precoç
Per millorar la precisió i la velocitat de resposta de les alertes precoces, aquest mòdul generalment integra un mecanisme dual d'alerta precoç activa i passiva.
L'alerta precoç activa es refereix a la detecció proactiva dels paràmetres elèctrics pel sistema. Un cop aquests paràmetres es desviïn de l'interval normal, s'iniciarà immediatament un senyal d'alerta precoç. L'alerta precoç activa sol depenre de sensors de alt rendiment i dispositius de recopilació de dades. Aquests dispositius poden monitoritzar en temps real paràmetres clau com la corrent, la tensió i la freqüència, i analitzar les dades rellevants a través d'algoritmes integrats per determinar si hi ha riscos de falles potencials. L'alerta precoç passiva, per altra banda, implica l'anàlisi de paràmetres elèctrics rellevants i l'emissió d'un senyal d'alerta precoç després de rebre senyals externs. Per exemple, quan el dispositiu de protecció per relés de la subestació opera, el mòdul d'alerta precoç passiva es farà servir immediatament per analitzar la causa de l'operació i determinar si són necessàries mesures de processament addicionals, tal com es mostra a la Figura 1.
Figura 1 Disseny de l'Estructura de Maquinari
En el disseny de l'estructura de maquinari del mòdul de detecció d'alerta precoç, combinar l'alerta precoç activa i passiva pot augmentar significativament la capacitat d'alerta precoç i la velocitat de resposta del sistema. L'alerta precoç activa pot monitoritzar paràmetres elèctrics en temps real i identificar ràpidament riscos de falles potencials; mentre que l'alerta precoç passiva pot reaccionar prontament quan ocorren esdeveniments específics i realitzar una anàlisi en profunditat de les causes de les falles.
Per combinar eficientment aquests dos mètodes d'alerta precoç, cal considerar els següents elements clau en el disseny de maquinari:
Selecció de sensors i dispositius de recopilació de dades: Cal seleccionar sensors i dispositius de recopilació de dades de alta precisió per assegurar la precisió de les dades.
Capacitats de processament i anàlisi de dades: El mòdul de monitorització d'alerta precoç hauria de tenir fortes capacitats de processament i anàlisi de dades per identificar ràpidament dades anòmals i fer judicis d'alerta precoç.
Interfícies i protocols de comunicació: El mòdul hauria de suportar diverses interfícies i protocols de comunicació per facilitar l'intercanvi de dades amb altres sistemes o dispositius.
Fiabilitat: El disseny de maquinari hauria d'assegurar que el mòdul pugui funcionar de manera estable en entorns extrems i adoptar mesures de seguretat necessàries per prevenir malfuncionaments i accés no autoritzat.
III. Disseny de Programari del Sistema
(1) Modelització de Característiques de Càrrega de Falles
El nucli del sistema de detecció d'informació de falles de protecció per relés de subestacions resideix en el seu disseny de l'estructura de programari, especialment en la construcció de models de càrrega estàtica i dinàmica. Aquests models tenen com objectiu descriure la potència activa i reactiva de la càrrega durant l'operació del sistema, així com els canvis lents de tensió i freqüència, i solen expressar-se mitjançant models polinòmics. El model de càrrega estàtica sol expressar-se com:
on P i Q representen la potència activa i reactiva respectivament, V és la tensió, P0, Q0, V0són els valors en l'estat de referència, i n i m són els coeficients de característiques de càrrega.
El model de càrrega dinàmica és relativament complex. Té en compte la resposta dinàmica de la càrrega a canvis de tensió i freqüència, incloent múltiples constants de temps per simular la velocitat de resposta de la càrrega a canvis de tensió i freqüència. El model de càrrega dinàmica es pot expressar com una sèrie d'equacions diferencials que descriuen la taxa de canvi de la potència de la càrrega en el temps.
En el disseny de l'estructura de programari, aquests models s'integren al sistema de detecció d'informació de falles de protecció per relés per monitoritzar i analitzar l'estat d'operació de la subestació en temps real. El sistema recull dades en temps real, incloent corrent, tensió, potència, etc., i utilitza aquests models per calcular científicament condicions de falles potencials.
(2) Recopilació d'Informació de Falles
Per assegurar la fiabilitat de l'equip de protecció per relés, el disseny del sistema de detecció d'informació de falles és particularment important, especialment la part de recopilació d'informació de falles. Aquesta part sol dividir-se en tres mòduls: recopilació d'informació en estat estacionari, recopilació d'informació transitori i gestió de fitxers d'estat.
El mòdul de recopilació d'informació en estat estacionari té com a principal responsabilitat recollir els paràmetres elèctrics de la subestació durant l'operació normal, com ara tensió, corrent, potència, etc. Aquestes dades són la base per avaluar l'estat d'operació de la xarxa elèctrica i també són importants per a l'anàlisi i predicció de falles. Aquest mòdul sol incloure tres submòduls: recopilació de dades, processament de dades i emmagatzematge de dades. El submòdul de recopilació de dades obté paràmetres elèctrics en temps real a través de la interfície amb el sistema de monitorització de la subestació; el submòdul de processament de dades realitza una anàlisi preliminar de les dades recollides, elimina valors anòmals i formata les dades; el submòdul d'emmagatzematge de dades emmagatzema les dades processades en una base de dades per a l'anàlisi posterior.
El mòdul de recopilació d'informació transitori es centra en capturar esdeveniments transitoris en la xarxa elèctrica, com ara curts circuits, oberts, i altres falles. Aquests esdeveniments transitoris sovint van acompanyats de canvis bruscos en els paràmetres elèctrics, per tant, són necessaris equips de recopilació de dades d'alta velocitat i precisió. Aquest mòdul sol incloure tres submòduls: recopilació de dades d'alta velocitat, identificació d'esdeveniments transitories i emmagatzematge de dades d'esdeveniments. El submòdul de recopilació de dades d'alta velocitat pot registrar els canvis dels paràmetres elèctrics amb una resolució de microsegon; el submòdul d'identificació d'esdeveniments transitories jutja si s'ha produït una falla i identifica precisament el tipus de falla segons algoritmes predefinits; el submòdul d'emmagatzematge de dades d'esdeveniments emmagatzema la informació de falles identificada en una base de dades específica, el que facilita l'anàlisi en profunditat per part del personal.
El mòdul de gestió de fitxers d'estat té la responsabilitat de gestionar i mantenir els fitxers d'estat de l'equip de protecció per relés de la subestació, i registra detalladament informació clau com els detalls de configuració, l'estat d'operació i els registres històrics de falles de l'equip de protecció. Principalment inclou quatre submòduls: generació de fitxers d'estat, actualització, consulta i còpia de seguretat. El submòdul de generació genera un fitxer d'estat inicial segons la configuració real de l'equip de protecció; el submòdul d'actualització actualitza el fitxer d'estat quan canvien els paràmetres o la configuració de l'equip; el submòdul de consulta permet als usuaris consultar la informació del fitxer d'estat; el submòdul de còpia de seguretat fa còpies de seguretat regulars del fitxer d'estat per evitar eficientment la pèrdua de dades.
(3) Detecció d'Informació de Falles
Quan la capa de control de la subestació rep la informació d'alarma "Error de connexió de la xarxa fusionada de la línia A" de la protecció per relés, el sistema hauria de iniciar immediatament el procés de detecció d'informació de falles per confirmar si aquesta alarma és l'única font, és a dir, si altres dispositius també han emès alarmes similars. En aquest exemple, si altres dispositius no emeten alarmes, el sistema es concentrarà en la informació de "Error de connexió de la xarxa fusionada de la línia A".
Per processar i analitzar la informació de falles de manera més efectiva, el sistema dissenya cinc combinacions de terminals virtuals i nodes de falles, tal com es mostra a la Taula 1.
Cada terminal virtual té responsabilitats diferents, des de monitoritzar l'estat de la connexió de la xarxa fins a proporcionar solucions, formant un procés complet de gestió de falles. A través del disseny de l'estructura de programari anterior, el sistema de detecció d'informació de falles de protecció per relés de la subestació pot detectar eficientment la informació de falles i assegurar la segura operació de la subestació. Especialment quan rep l'alarma de "Error de connexió de la xarxa fusionada de la línia A", el sistema pot respondre ràpidament i prendre mesures corresponents per minimitzar l'impacte de la falla en el sistema elèctric.
IV. Verificació Experimental
(1) Estructura Topològica de Xarxa
El disseny de l'estructura topològica de xarxa del sistema de detecció d'informació de falles de protecció per relés per a la subestació de 500 kV posada en funcionament el 2023 adereça estrictament els principis bàsics de alta fiabilitat, alta disponibilitat i fàcil manteniment. Aquest sistema adopta una arquitectura de xarxa jeràrquica i distribuïda, i els seus passos d'implementació estan ben organitzats, principalment incloent els següents enllaços.
Recopilació de dades: A través de sensors i dispositius de recopilació de dades instal·lats en diversos punts clau de la subestació, es recullen en temps real les dades d'operació dels dispositius de protecció per relés.
Transmissió de dades: Utilitzant tecnologia de comunicació de xarxa, les dades recollides es transmeten de manera oportuna i precisa al centre de processament de dades.
Anàlisi de dades: Al centre de processament de dades, es fan servir ordinadors d'alt rendiment i programari d'anàlisi professional per analitzar les dades, identificant patrons anòmals i falles potencials.
Diagnòstic de falles: Un cop s'ha detectat una anomalia, el sistema realitza automàticament un diagnòstic de falles per determinar el tipus i la ubicació de la falla.
Alarma i resposta: El sistema notifica a les persones encarregades de l'operació i manteniment la informació de la falla a través del sistema d'alarma i proporciona suggeriments preliminars per a la gestió de la falla.
Gestió de falles: Les persones encarregades de l'operació i manteniment poden prendre ràpidament mesures per gestionar la falla segons la informació i suggeriments proporcionats pel sistema, assegurant així l'operació estable de la xarxa elèctrica.
(2) Resultats Experimentals i Anàlisi
Es van utilitzar dos sistemes de detecció en l'experiment: un és el sistema convencional de detecció en línia del circuit secundari de protecció per relés de subestació basat en el fitxer SCD, i l'altre és el sistema de detecció d'informació de falles de protecció per relés de subestació basat en l'anàlisi espaciotemporal. Ambdos sistemes van ser provats en el mateix entorn de subestació per assegurar la comparabilitat dels resultats [8].
Les dades experimentals mostren que les tensions d'aïllament màximes de les barres positives i negatives mesurades pel sistema de detecció basat en el fitxer SCD són 192,1 V i 191,4 V respectivament, mentre que els valors corresponents mesurats pel sistema de detecció basat en l'anàlisi espaciotemporal són 190,3 V i 210,23 V respectivament. Les dades específiques es mostren a la Taula 2.
A partir dels resultats experimentals, es pot observar que el sistema de detecció basat en l'anàlisi espaciotemporal té un valor de tensió d'aïllament màxima lleugerament inferior per a la barra positiva en comparació amb el sistema de detecció basat en el fitxer SCD, però un valor lleugerament superior per a la barra negativa. Això indica que el sistema de detecció basat en l'anàlisi espaciotemporal pot proporcionar resultats de mesura més precisos en certes situacions. No obstant això, aquesta diferència no és significativa. Per tant, per obtenir una comprensió més profunda de les diferències de rendiment entre aquests dos sistemes, pot ser necessari recollir i analitzar una gran quantitat de dades experimentals addicionals.
V. Conclusió
El nou sistema de detecció d'informació de falles de protecció per relés de subestacions dissenyat i estudiat en aquest article pot monitoritzar l'estat de treball dels dispositius de protecció per relés en temps real, analitzar i diagnosticar automàticament la informació de falles, i transmetre prontament la informació de falles a les persones encarregades de l'operació i manteniment mitjançant tecnologia de comunicació de xarxa. Això els permet prendre mesures ràpides per prevenir l'ampliació de les falles i assegurar la segura i estable operació del sistema elèctric.
