Návrh systému pro detekci informací o chybách reléové ochrany podстанice
I. Úvod
V posledních letech, s neustálým rozšiřováním měřítka elektrické sítě, hrají podstanice jako klíčové uzly v elektrickém systému zásadní roli v zajištění spolehlivosti celé elektrické sítě prostřednictvím své bezpečné a stabilní operace. Relé ochrana slouží jako první linie obrany pro bezpečnou operaci podstanic. Přesnost a rychlost relé ochrany jsou přímo spojené se stabilitou elektrického systému. Proto je efektivní detekce informací o chybách v systému relé ochrany podstanic, rychlé identifikace a řešení potenciálních vad, velmi důležité pro zajištění bezpečného provozu elektrického systému.
Tradiční metody pro detekci vad relé ochrany se hlavně opírají o ruční prohlídky a pravidelnou údržbu. Tyto metody nejen že jsou časově náročné a pracně náročné, ale také nedokáží dosáhnout reálného času monitorování. V důsledku toho jsou náchylné k propuštění raných signálů vad. S neustálým rozvojem informačních technologií, zejména pokroky v počítačové technologii a komunikační technologii, moderní systémy pro detekci informací o vadách relé ochrany podstanic začínají používat automatizované metody. Prostřednictvím reálného času sběru dat tyto systémy mohou dosáhnout reálného času monitorování stavu relé ochrany a rychle lokalizovat vady.
Proto tento článek navrhuje systém pro detekci informací o vadách relé ochrany podstanic založený na moderních informačních technologiích a detailně vysvětluje jeho hardwarovou strukturu, software design a experimentální výsledky.
II. Návrh hardwarové struktury systému
(1) Hlavní počítač
Návrh hlavního počítače přímo ovlivňuje výkonnost celého systému. Jeho hardwarová struktura používá jednočipový mikropočítač C8051F040 jako jádrové procesor. Jednočipový mikropočítač C8051F040 je vysokovýkonný a nízkoprázdňový smíšený signál mikrokontrolér, který integruje bohaté periferní zdroje, včetně analogových a digitálních I/O portů, časovačů/čítačů, UART, SPI a I2C komunikačních rozhraní, atd. Tyto charakteristiky dělají C8051F040 velmi vhodným jako jádrového procesoru hlavního počítače, schopného splnit požadavky na rychlé zpracování dat a složitou kontrolní logiku.
Pro zajištění schopnosti systému na reálné časy monitorování je v návrhu hlavního počítače použit vysokovýkonný monitorovací modul. Tento modul obvykle zahrnuje vysokorychlostní ADC (Analog-to-Digital Converter), DAC (Digital-to-Analog Converter) a okruhy pro monitorování napětí/proudů. Může shromažďovat a konvertovat elektrotechnické parametry v reálném čase, poskytující přesnou datovou podporu pro diagnostiku vad.
Zároveň musí hlavní počítač komunikovat s nižším počítačem a vzdáleným monitorovacím centrem. Návrh zahrnuje různá komunikační rozhraní, jako jsou RS-232, RS-485 a Ethernet. Tyto rozhraní zajišťují rychlý přenos dat a možnost vzdáleného ovládání.
Pro usnadnění operátorům v monitorování a ovládání systému je hlavní počítač vybaven rozhraním pro interakci člověk-stroj, obvykle tvořeným LCD displejem a klávesnicí. Operátoři mohou pomocí těchto rozhraní sledovat stav systému v reálném čase.
(2) Senzor pro detekci izolace
Pro splnění požadavků na renovaci DC systémů starých elektráren a podstanic byl personál navrhl vysokopřesný odnímatelný senzor pro detekci izolace. Použitím pokročilých elektronických technologií a materiálů tento senzor disponuje vysokou citlivostí, vysokou stabilitou a dlouhou životností, a může fungovat stabilně i v tvrdých podmínkách.
Vysoká přesnost je klíčovým ukazatelem výkonu senzoru pro detekci izolace. Použitím pokročilých algoritmů pro detekci a elektronických komponent může přesně detekovat malé změny izolace, zajišťuje přesnost a aktuálnost informací o vadách.
Přes upgradování a renovaci tepelných izolačních zařízení DC systémů starých elektráren a podstanic a použití vysokopřesných odnímatelných senzorů pro detekci izolace lze výrazně zlepšit bezpečnost systému. Tyto senzory mají schopnost vysokopřesné detekce a mohou rychle detekovat vady izolace, což efektivně prevence výskytu nehod.
(3) Modul pro ranou varování
Pro zlepšení přesnosti a rychlosti raných varování tento modul obecně integruje dvojitý mechanismus aktivních a pasivních raných varování.
Aktivní rané varování znamená, že systém aktivně detekuje elektrotechnické parametry. Jakmile se parametry vzdálí od normálního rozsahu, bude okamžitě vyvoláno rané varování. Aktivní rané varování obvykle spoléhá na vysokovýkonné senzory a zařízení pro sběr dat. Tyto zařízení mohou v reálném čase monitorovat klíčové parametry, jako jsou proud, napětí a frekvence, a analyzovat relevantní data pomocí vestavěných algoritmů, aby určily, zda existují potenciální rizika vzniku vad. Pasivní rané varování na druhou stranu zahrnuje analýzu relevantních elektrotechnických parametrů a vyvolání raného varování po přijetí externích signálů systémem. Například, když dojde k funkčnosti relé ochrany v podstani, pasivní modul pro rané varování bude okamžitě aktivován, aby analyzoval příčinu funkčnosti a určil, zda jsou potřebná další opatření, jak je znázorněno na obrázku 1.
Obrázek 1 Návrh hardwarové struktury
V návrhu hardwarové struktury modulu pro rané varování kombinace aktivních a pasivních raných varování může výrazně zlepšit schopnost systému na rané varování a rychlost odezvy. Aktivní rané varování může v reálném čase monitorovat elektrotechnické parametry a rychle identifikovat potenciální rizika vzniku vad; zatímco pasivní rané varování může okamžitě reagovat na specifické události a provést hlubokou analýzu příčin vad.
Pro efektivní kombinaci těchto dvou metod raného varování je třeba v návrhu hardwaru zohlednit následující klíčové prvky:
Výběr senzorů a zařízení pro sběr dat: Je třeba vybrat vysokopřesné senzory a zařízení pro sběr dat, aby byla zajištěna přesnost dat.
Schopnosti zpracování a analýzy dat: Modul pro rané varování by měl mít silné schopnosti zpracování a analýzy dat, aby rychle identifikoval neobvyklá data a mohl provést rozhodnutí o raném varování.
Komunikační rozhraní a protokoly: Modul by měl podporovat více komunikačních rozhraní a protokolů, aby bylo možné snadno vyměňovat data s jinými systémy nebo zařízeními.
Spolehlivost: Návrh hardwaru by měl zajišťovat, aby modul mohl stabilně fungovat v extrémních podmínkách, a použít nezbytná bezpečnostní opatření, aby se zabránilo nesprávnému fungování a neoprávněnému přístupu.
III. Návrh softwarové struktury
(1) Simulační modelování charakteristik zatížení při vadách
Klíčem systému pro detekci informací o vadách relé ochrany podstanic je jeho softwarová struktura, zejména vytvoření statických a dynamických modelů zatížení. Tyto modely mají za cíl popsat aktivní a reaktivní výkon zatížení během provozu systému, stejně jako pomalé změny napětí a frekvence, a jsou obvykle vyjádřeny pomocí polynomiálních modelů. Statický model zatížení je obvykle vyjádřen jako:
kde P a Q reprezentují aktivní a reaktivní výkon, V je napětí, P0, Q0, V0 jsou hodnoty ve referenčním stavu, a n a m jsou koeficienty charakteristik zatížení.
Dynamický model zatížení je relativně složitý. Zohledňuje dynamickou odezvu zatížení na změny napětí a frekvence, včetně několika časových konstant, aby simuloval rychlost odezvy zatížení na změny napětí a frekvence. Dynamický model zatížení může být vyjádřen jako série diferenciálních rovnic, které popisují tempové změny výkonu zatížení v čase.
V návrhu softwarové struktury jsou tyto modely integrovány do systému pro detekci informací o vadách relé ochrany, aby mohly v reálném čase monitorovat a analyzovat provozní stav podstanic. Systém shromažďuje data v reálném čase, včetně proudu, napětí, výkonu atd., a používá tyto modely k výpočtům, aby vědecky identifikoval potenciální stavy vad.
(2) Shromáždění informací o vadách
Pro zajištění spolehlivosti relé ochranného zařízení je návrh systému pro detekci informací o vadách velmi důležitý, zejména část týkající se shromáždění informací o vadách. Tato část je obvykle rozdělena do tří modulů: shromáždění informací o ustáleném stavu, shromáždění informací o přechodném stavu a správa stavových souborů.
Modul pro shromáždění informací o ustáleném stavu je hlavně odpovědný za shromažďování elektrotechnických parametrů podstanic během normálního provozu, jako jsou napětí, proud, výkon atd. Tyto data jsou základem pro hodnocení provozního stavu elektrické sítě a také jsou důležitá pro analýzu a predikci vad. Tento modul obvykle zahrnuje tři submoduly: shromáždění dat, zpracování dat a ukládání dat. Submodul pro shromáždění dat získává elektrotechnické parametry v reálném čase prostřednictvím rozhraní s monitorovacím systémem podstanic; submodul pro zpracování dat provádí předběžnou analýzu shromážděných dat, odstraňuje neobvyklé hodnoty a formátuje data; submodul pro ukládání dat ukládá zpracovaná data do databáze pro následnou analýzu.
Modul pro shromáždění informací o přechodném stavu se zaměřuje na zachycení přechodných událostí v elektrické síti, jako jsou krátké spojení, otevření okruhu a jiné vady. Tyto přechodné události jsou často provázeny ostrými změnami elektrotechnických parametrů, proto jsou vyžadovány vysokorychlostní a vysokopřesné zařízení pro sběr dat. Tento modul obvykle zahrnuje tři submoduly: vysokorychlostní sběr dat, identifikace přechodných událostí a ukládání dat o události. Submodul pro vysokorychlostní sběr dat může zaznamenávat změny elektrotechnických parametrů s rozlišením na mikrosekundové úrovni; submodul pro identifikaci přechodných událostí rozhoduje, zda došlo k výpadku, a přesně identifikuje typ výpadku podle přednastavených algoritmů; submodul pro ukládání dat o události ukládá identifikované informace o vadách do specifické databáze, což je výhodné pro hlubší analýzu personálem.
Modul pro správu stavových souborů je odpovědný za správu a údržbu stavových souborů relé ochranného zařízení podstanic a podrobně zaznamenává klíčové informace, jako jsou detaily konfigurace, provozní stav a historické záznamy o výpadech ochranného zařízení. Zahrnuje hlavně čtyři submoduly: generování stavových souborů, aktualizace, dotazy a zálohování. Submodul pro generování stavových souborů generuje počáteční stavový soubor podle skutečné konfigurace ochranného zařízení; submodul pro aktualizaci aktualizuje stavový soubor, když se změní parametry nebo konfigurace zařízení; submodul pro dotazy umožňuje uživatelům dotazovat se na informace ve stavovém souboru; submodul pro zálohování pravidelně zálohuje stavový soubor, aby se efektivně předešlo ztrátě dat.
(3) Detekce informací o vadách
Když vrstva řízení stanice obdrží varování "Chyba připojení k síti A-line" od relé ochrany, systém by měl okamžitě zahájit proces detekce informací o vadách, aby potvrdil, zda je toto varování jediným zdrojem, tj. zda jiná zařízení také vydala podobná varování. V tomto příkladu, pokud jiná zařízení nevystavila varování, systém se bude soustředit na informace o "Chybě připojení k síti A-line".
Pro efektivnější zpracování a analýzu informací o vadách systém navrhuje pět kombinací virtuálních terminálů a uzlů výpadků, jak je znázorněno v tabulce 1.
Každý virtuální terminál je odpovědný za různé úkoly, od monitorování stavu připojení sítě až po poskytování řešení, tvoří kompletní proces řešení výpadků. Díky tomuto návrhu softwarové struktury může systém pro detekci informací o vadách relé ochrany podstanic efektivně detekovat informace o vadách a zajistit bezpečný provoz podstanic. Zejména při přijetí varování "Chyba připojení k síti A-line" může systém rychle reagovat a přijmout odpovídající opatření, aby minimalizoval dopad výpadku na elektrický systém.
IV. Experimentální ověření
(1) Struktura sítě
Návrh struktury sítě pro systém detekce informací o vadách relé ochrany 500 kV podstanic, který byl uveden do provozu v roce 2023, přísně dodržuje základní principy vysoké spolehlivosti, dostupnosti a snadné údržby. Tento systém používá hierarchickou a distribuovanou architekturu sítě, a jeho implementační kroky jsou dobře organizované, zahrnují především následující části.
Sběr dat: Prostřednictvím senzorů a zařízení pro sběr dat instalovaných na různých klíčových uzlech podstanic se v reálném čase shromažďují provozní data relé ochranných zařízení.
Přenos dat: Pomocí technologií síťové komunikace se shromážděná data přesně a včas přenášejí do centra zpracování dat.
Analýza dat: V centru zpracování dat se využívají vysokovýkonné počítače a odborné analytické software k analýze dat, identifikaci neobvyklých vzorců a potenciálních vad.
Diagnostika výpadků: Jakmile je zjištěna neobvyklá situace, systém automaticky provádí diagnostiku výpadků, aby určil typ a místo výpadku.
Varování a reakce: Systém upozorňuje personál provozu a údržby na informace o výpadcích prostřednictvím systému varování a poskytuje předběžné návrhy na řešení výpadku.
Řešení výpadků: Personál provozu a údržby může rychle podniknout opatření k řešení výpadku na základě informací o výpadku a návrhů poskytnutých systémem, čímž zajistí stabilní provoz elektrické sítě.
(2) Experimentální výsledky a analýza
Ve výzkumu byly použity dva detekční systémy: jeden je tradiční systém online detekce sekundárního obvodu relé ochrany podstanic založený na souboru SCD, a druhý je systém detekce informací o vadách relé ochrany podstanic založený na časoprostorové analýze. Oba systémy byly testovány ve stejném prostředí podstanic, aby byla zajištěna srovnatelnost výsledků [8].
Experimentální data ukazují, že maximální izolační napětí pozitivní a negativní sběrnice měřené detekčním systémem založeným na souboru SCD jsou 192,1 V a 191,4 V, zatímco odpovídající hodnoty měřené detekčním systémem založeným na časoprostorové analýze jsou 190,3 V a 210,23 V. Konkrétní data jsou uvedena v tabulce 2.
Z experimentálních výsledků lze vidět, že detekční systém založený na časoprostorové analýze má mírně nižší hodnotu maximálního izolačního napětí pro pozitivní sběrnici než detekční systém založený na souboru SCD, ale mírně vyšší hodnotu pro negativní sběrnici. To naznačuje, že detekční systém založený na časoprostorové analýze může poskytnout přesnější měření v určitých situacích. Nicméně, tato rozdíl není významný. Proto pro hlubší porozumění rozdílům v výkonu mezi těmito dvěma systémy může být nutné dále shromažďovat a analyzovat velké množství experimentálních dat.
V. Závěr
Nový systém pro detekci informací o vadách relé ochrany podstanic, který byl navržen a studován v tomto článku, může v reálném čase sledovat pracovní stav relé ochranných zařízení, automaticky analyzovat a diagnostikovat informace o vadách a včas přenášet informace o vadách provoznímu a údržbám personálu prostřednictvím technologií síťové komunikace. To jim umožňuje rychle podniknout opatření, aby zabránili šíření vad a zajistili bezpečný a stabilní provoz elektrického systému.
