Diseño del Sistema de Detección de Información de Fallas de Protección Relé en Subestaciones
I. Introducción
En los últimos años, con la expansión continua de la escala de la red eléctrica, las subestaciones, como nodos cruciales en el sistema de energía, desempeñan un papel vital en garantizar la confiabilidad de toda la red eléctrica a través de su operación segura y estable. La protección por relés sirve como la primera línea de defensa para la operación segura de las subestaciones. La precisión y rapidez de la protección por relés están directamente relacionadas con la estabilidad del sistema de energía. Por lo tanto, detectar eficazmente la información de fallas del sistema de protección por relés de la subestación, identificar y abordar oportunamente las posibles fallas, es de gran importancia para salvaguardar la operación segura del sistema de energía.
Los métodos tradicionales para detectar fallas en la protección por relés dependen principalmente de inspecciones manuales y mantenimiento regular. Estos métodos no solo son laboriosos y consumen mucho tiempo, sino que también no logran un monitoreo en tiempo real. Como resultado, tienden a perder las señales iniciales de fallas. Con el desarrollo continuo de la tecnología de la información, especialmente los avances en la tecnología informática y de comunicaciones, los sistemas modernos de detección de información de fallas de protección por relés en subestaciones han comenzado a adoptar métodos automatizados. A través de la recopilación de datos en tiempo real, estos sistemas pueden lograr un monitoreo en tiempo real del estado de la protección por relés y localizar rápidamente las fallas.
Por lo tanto, este documento propone un sistema de detección de información de fallas de protección por relés en subestaciones basado en la tecnología de la información moderna y explica en detalle su estructura de hardware, diseño de software y resultados experimentales.
II. Diseño de la Estructura de Hardware del Sistema
(1) Computadora Principal
El diseño de la computadora principal afecta directamente el rendimiento de todo el sistema. Su estructura de hardware utiliza el microcontrolador C8051F040 como procesador central. El microcontrolador C8051F040 es un microcontrolador de alto rendimiento y bajo consumo que integra abundantes recursos periféricos, incluyendo puertos I/O analógicos y digitales, temporizadores/contadores, UART, SPI e interfaces de comunicación I2C, entre otros. Estas características hacen que el C8051F040 sea altamente adecuado como procesador central de la computadora principal, capaz de satisfacer los requisitos de procesamiento de datos de alta velocidad y lógica de control compleja.
Para asegurar la capacidad de monitoreo en tiempo real del sistema, se emplea una unidad de monitoreo de alto rendimiento en el diseño de la computadora principal. Esta unidad generalmente incluye un convertidor ADC (Analog-to-Digital Converter) de alta velocidad, un convertidor DAC (Digital-to-Analog Converter), así como circuitos de monitoreo de voltaje y corriente. Puede recopilar y convertir parámetros eléctricos en tiempo real, proporcionando un soporte de datos preciso para el diagnóstico de fallas.
Además, la computadora principal necesita comunicarse con la computadora inferior y el centro de monitoreo remoto. El diseño incorpora varias interfaces de comunicación, como RS-232, RS-485 y Ethernet. Estas interfaces aseguran la transmisión rápida de datos y la capacidad de control remoto.
Para facilitar a los operadores el monitoreo y control del sistema, la computadora principal también está equipada con una interfaz de interacción hombre-máquina, que generalmente consiste en una pantalla LCD y un teclado. Los operadores pueden usar estas interfaces para ver el estado del sistema en tiempo real.
(2) Sensor de Detección de Aislamiento
Para cumplir con los requisitos de renovación de los sistemas DC en centrales eléctricas y subestaciones antiguas, el personal ha diseñado un sensor de detección de aislamiento de alta precisión y desmontable. Utilizando tecnologías electrónicas y materiales avanzados, este sensor tiene alta sensibilidad, alta estabilidad y larga vida útil, y puede operar de manera estable incluso en entornos adversos.
La alta precisión es un indicador clave de rendimiento del sensor de detección de aislamiento. Al utilizar algoritmos de detección avanzados y componentes electrónicos, puede detectar con precisión cambios mínimos en el aislamiento, asegurando la precisión y puntualidad de la información de fallas.
Al actualizar y renovar los dispositivos de aislamiento térmico de los sistemas DC en centrales eléctricas y subestaciones antiguas y utilizar sensores de detección de aislamiento de alta precisión y desmontables, se puede mejorar significativamente la seguridad del sistema. Estos sensores tienen la capacidad de detección de alta precisión y pueden detectar rápidamente fallas de aislamiento, evitando efectivamente la ocurrencia de accidentes.
(3) Módulo de Detección de Alerta Temprana
Para mejorar la precisión y la velocidad de respuesta de las alertas tempranas, este módulo generalmente integra un mecanismo dual de alerta temprana activa y pasiva.
La alerta temprana activa se refiere a la detección proactiva de parámetros eléctricos por parte del sistema. Una vez que los parámetros se desvían del rango normal, se activará inmediatamente una señal de alerta temprana. La alerta temprana activa generalmente se basa en sensores y dispositivos de recolección de datos de alto rendimiento. Estos dispositivos pueden monitorear parámetros clave como corriente, voltaje y frecuencia en tiempo real y analizar los datos relevantes mediante algoritmos integrados para determinar si existen riesgos potenciales de fallas. La alerta temprana pasiva, por otro lado, implica el análisis de parámetros eléctricos relevantes y la emisión de una señal de alerta temprana después de que el sistema recibe señales externas. Por ejemplo, cuando el dispositivo de protección por relés en la subestación opera, el módulo de alerta temprana pasiva se activará inmediatamente para analizar la causa de la operación y determinar si se requieren medidas de procesamiento adicionales, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Diseño de la Estructura de Hardware
En el diseño de la estructura de hardware del módulo de detección de alerta temprana, combinar la alerta temprana activa y la pasiva puede mejorar significativamente la capacidad de alerta temprana y la velocidad de respuesta del sistema. La alerta temprana activa puede monitorear parámetros eléctricos en tiempo real e identificar rápidamente riesgos potenciales de fallas; mientras que la alerta temprana pasiva puede reaccionar rápidamente cuando ocurren eventos específicos y realizar un análisis profundo de las causas de las fallas.
Para combinar eficazmente estos dos métodos de alerta temprana, se deben considerar los siguientes elementos clave en el diseño de hardware:
Selección de sensores y dispositivos de recolección de datos: Se deben seleccionar sensores y dispositivos de recolección de datos de alta precisión para garantizar la precisión de los datos.
Capacidades de procesamiento y análisis de datos: El módulo de monitoreo de alerta temprana debe tener capacidades poderosas de procesamiento y análisis de datos para identificar rápidamente datos anormales y hacer juicios de alerta temprana.
Interfaces de comunicación y protocolos: El módulo debe soportar múltiples interfaces de comunicación y protocolos para facilitar el intercambio de datos con otros sistemas o dispositivos.
Fiabilidad: El diseño de hardware debe asegurar que el módulo pueda operar de manera estable en entornos extremos y adoptar medidas de seguridad necesarias para prevenir mal funcionamiento y acceso no autorizado.
III. Diseño de Software del Sistema
(1) Modelado de Características de Carga de Fallas
El núcleo del sistema de detección de información de fallas de protección por relés en subestaciones reside en su diseño de estructura de software, especialmente en la construcción de modelos de carga estática y dinámica. Estos modelos buscan describir la potencia activa y reactiva de la carga durante la operación del sistema, así como los cambios lentos en el voltaje y la frecuencia, y generalmente se expresan mediante modelos polinómicos. El modelo de carga estática se suele expresar como:
donde P y Q representan la potencia activa y reactiva respectivamente, V es el voltaje, P0, Q0, V0son los valores en el estado de referencia, y n y m son los coeficientes de las características de la carga.
El modelo de carga dinámica es más complejo. Tiene en cuenta la respuesta dinámica de la carga a los cambios en el voltaje y la frecuencia, incluyendo múltiples constantes de tiempo para simular la velocidad de respuesta de la carga a los cambios en el voltaje y la frecuencia. El modelo de carga dinámica se puede expresar como una serie de ecuaciones diferenciales que describen la tasa de cambio de la potencia de la carga a lo largo del tiempo.
En el diseño de la estructura de software, estos modelos se integran en el sistema de detección de información de fallas de protección por relés para monitorear y analizar el estado de operación de la subestación en tiempo real. El sistema recopila datos en tiempo real, incluyendo corriente, voltaje, potencia, etc., y utiliza estos modelos para cálculos científicos para identificar condiciones de falla potenciales.
(2) Recolección de Información de Fallas
Para garantizar la confiabilidad del equipo de protección por relés, el diseño del sistema de detección de información de fallas es de particular importancia, especialmente la parte de recolección de información de fallas. Esta parte generalmente se divide en tres módulos: recolección de información en estado estable, recolección de información transitoria y gestión de archivos de estado.
El módulo de recolección de información en estado estable se encarga principalmente de recopilar los parámetros eléctricos de la subestación durante la operación normal, como voltaje, corriente, potencia, etc. Estos datos son la base para evaluar el estado de operación de la red eléctrica y también son importantes para el análisis y predicción de fallas. Este módulo generalmente incluye tres submódulos: recolección de datos, procesamiento de datos y almacenamiento de datos. El submódulo de recolección de datos obtiene parámetros eléctricos en tiempo real a través de la interfaz con el sistema de monitoreo de la subestación; el submódulo de procesamiento de datos realiza un análisis preliminar de los datos recopilados, elimina valores anómalos y formatea los datos; el submódulo de almacenamiento de datos guarda los datos procesados en una base de datos para su posterior análisis.
El módulo de recolección de información transitoria se enfoca en capturar eventos transitorios en la red eléctrica, como cortocircuitos, aperturas y otras fallas. Estos eventos transitorios a menudo van acompañados de cambios bruscos en los parámetros eléctricos, por lo que se requiere equipos de recolección de datos de alta velocidad y alta precisión. Este módulo generalmente incluye tres submódulos: recolección de datos de alta velocidad, identificación de eventos transitorios y almacenamiento de datos de eventos. El submódulo de recolección de datos de alta velocidad puede registrar los cambios de los parámetros eléctricos con una resolución de nivel de microsegundos; el submódulo de identificación de eventos transitorios juzga si ha ocurrido una falla y identifica con precisión el tipo de falla según algoritmos predefinidos; el submódulo de almacenamiento de datos de eventos guarda la información de fallas identificada en una base de datos específica, lo que es conveniente para el análisis en profundidad por parte del personal.
El módulo de gestión de archivos de estado se encarga de la administración y mantenimiento de los archivos de estado del equipo de protección por relés de la subestación, y registra en detalle información clave como los detalles de configuración, el estado de operación y los registros históricos de fallas del equipo de protección. Incluye principalmente cuatro submódulos: generación de archivos de estado, actualización, consulta y respaldo. El submódulo de generación genera un archivo de estado inicial según la configuración real del equipo de protección; el submódulo de actualización actualiza el archivo de estado cuando cambian los parámetros o la configuración del equipo; el submódulo de consulta permite a los usuarios consultar la información en el archivo de estado; el submódulo de respaldo realiza copias de seguridad periódicas del archivo de estado para evitar eficazmente la pérdida de datos.
(3) Detección de Información de Fallas
Cuando la capa de control de la estación recibe la información de alarma "Error de conexión de red combinada de la línea A" de la protección por relés, el sistema debe iniciar inmediatamente el proceso de detección de información de fallas para confirmar si esta alarma es la única fuente, es decir, si otros dispositivos también han emitido alarmas similares. En este ejemplo, si otros dispositivos no emiten alarmas, el sistema se centrará en la información de "Error de conexión de red combinada de la línea A".
Para procesar y analizar la información de fallas de manera más efectiva, el sistema diseña cinco combinaciones de terminales virtuales y nodos de fallas, como se muestra en la Tabla 1.
Cada terminal virtual se encarga de diferentes tareas, desde monitorear el estado de la conexión de la red hasta proporcionar soluciones, formando un proceso completo de manejo de fallas. A través del diseño de la estructura de software mencionado, el sistema de detección de información de fallas de protección por relés en subestaciones puede detectar eficazmente la información de fallas y garantizar la operación segura de la subestación. Especialmente al recibir la alarma de "Error de conexión de red combinada de la línea A", el sistema puede responder rápidamente y tomar medidas correspondientes para minimizar el impacto de la falla en el sistema de energía.
IV. Verificación Experimental
(1) Estructura de Topología de Red
El diseño de la estructura de topología de red del sistema de detección de información de fallas de protección por relés para la subestación de 500 kV puesta en operación en 2023 se adhiere estrictamente a los principios fundamentales de alta confiabilidad, alta disponibilidad y fácil mantenimiento. Este sistema adopta una arquitectura de red jerárquica y distribuida, y sus pasos de implementación están bien organizados, incluyendo principalmente los siguientes enlaces.
Recolección de datos: A través de sensores y dispositivos de recolección de datos instalados en varios nodos clave de la subestación, se recopilan en tiempo real los datos de operación de los dispositivos de protección por relés.
Transmisión de datos: Utilizando tecnología de comunicación de red, los datos recopilados se transmiten de manera oportuna y precisa al centro de procesamiento de datos.
Análisis de datos: En el centro de procesamiento de datos, se utilizan computadoras de alto rendimiento y software de análisis profesional para analizar los datos, identificar patrones anormales y posibles fallas.
Diagnóstico de fallas: Una vez detectada una anomalía, el sistema realiza automáticamente un diagnóstico de fallas para determinar el tipo y la ubicación de la falla.
Alarma y respuesta: El sistema notifica a los personal de operación y mantenimiento la información de la falla a través del sistema de alarma y proporciona sugerencias iniciales para el manejo de la falla.
Manejo de fallas: El personal de operación y mantenimiento puede tomar medidas rápidas para manejar la falla según la información y sugerencias proporcionadas por el sistema, asegurando así la operación estable de la red eléctrica.
(2) Resultados Experimentales y Análisis
Se utilizaron dos sistemas de detección en el experimento: uno es el sistema de detección en línea convencional de circuitos secundarios de protección por relés en subestaciones basado en el archivo SCD, y el otro es el sistema de detección de información de fallas de protección por relés en subestaciones basado en el análisis espacio-temporal. Ambos sistemas se probaron en el mismo entorno de subestación para garantizar la comparabilidad de los resultados [8].
Los datos experimentales muestran que los voltajes de aislamiento máximos de las barras positiva y negativa medidos por el sistema de detección basado en el archivo SCD son 192.1 V y 191.4 V respectivamente, mientras que los valores correspondientes medidos por el sistema de detección basado en el análisis espacio-temporal son 190.3 V y 210.23 V respectivamente. Los datos específicos se muestran en la Tabla 2.
A partir de los resultados experimentales, se puede observar que el sistema de detección basado en el análisis espacio-temporal tiene un valor ligeramente menor de voltaje de aislamiento máximo para la barra positiva en comparación con el sistema de detección basado en el archivo SCD, pero un valor ligeramente mayor para la barra negativa. Esto indica que el sistema de detección basado en el análisis espacio-temporal puede proporcionar resultados de medición más precisos en ciertas situaciones. Sin embargo, esta diferencia no es significativa. Por lo tanto, para obtener una comprensión más profunda de las diferencias de rendimiento entre estos dos sistemas, puede ser necesario recopilar y analizar una gran cantidad de datos experimentales adicionales.
V. Conclusión
El nuevo sistema de detección de información de fallas de protección por relés en subestaciones diseñado y estudiado en este documento puede monitorear en tiempo real el estado de operación de los dispositivos de protección por relés, analizar y diagnosticar automáticamente la información de fallas, y transmitir la información de fallas de manera oportuna al personal de operación y mantenimiento a través de la tecnología de comunicación de red. Esto les permite tomar medidas rápidas para prevenir la expansión de las fallas y garantizar la operación segura y estable del sistema de energía.
