Системыгийн хөгжүүлэлтийн байгууламжийн эх үүсвэрт хамгаалалтын алдааны мэдээллийн илрүүлэх системийн загвар

I. مقدمه

در سال‌های اخیر، با گسترش مداوم مقیاس شبکه برق، زیراستانیون‌ها به عنوان گره‌های مهم در سیستم برق، نقش حیاتی در تضمین قابلیت اطمینان کل شبکه برق از طریق عملکرد ایمن و پایدار خود دارند. حفاظت رله به عنوان خط دفاع اول برای عملکرد ایمن زیراستانیون‌ها عمل می‌کند. دقت و سرعت حفاظت رله مستقیماً با پایداری سیستم برق مرتبط است. بنابراین، تشخیص موثر اطلاعات خرابی سیستم حفاظت رله زیراستانیون‌ها، شناسایی و حل مشکلات بالقوه به موقع، برای حفظ عملکرد ایمن سیستم برق اهمیت زیادی دارد.

روش‌های سنتی تشخیص خرابی حفاظت رله عمدتاً به معاینه‌های دستی و نگهداری منظم متکی هستند. این روش‌ها نه تنها زمان‌بر و کارآمد نیستند بلکه نظارت به موقع را نیز فراهم نمی‌کنند. بنابراین، آن‌ها به راحتی از سیگنال‌های ابتدایی خرابی‌ها چشم‌پوشی می‌کنند. با توسعه مداوم فناوری اطلاعات، به ویژه پیشرفت‌های فناوری کامپیوتر و ارتباطات، سیستم‌های جدید تشخیص اطلاعات خرابی حفاظت رله زیراستانیون‌ها شروع به استفاده از روش‌های خودکار کرده‌اند. این سیستم‌ها از طریق جمع‌آوری داده‌های به‌موقع می‌توانند نظارت به‌موقع بر وضعیت حفاظت رله و محل‌یابی سریع خرابی‌ها را فراهم کنند.

بنابراین، این مقاله یک سیستم تشخیص اطلاعات خرابی حفاظت رله زیراستانیون بر اساس فناوری اطلاعات مدرن پیشنهاد می‌کند و به طور دقیق بر ساختار سخت‌افزاری، طراحی نرم‌افزاری و نتایج آزمایشی آن می‌پردازد.

II. طراحی ساختار سخت‌افزاری سیستم
(1) کامپیوتر میزبان

طراحی کامپیوتر میزبان به طور مستقیم عملکرد کل سیستم را تحت تأثیر قرار می‌دهد. ساختار سخت‌افزاری آن از میکروکنترلر C8051F040 به عنوان پردازنده اصلی استفاده می‌کند. میکروکنترلر C8051F040 یک میکروکنترلر مخلوطی با عملکرد بالا و مصرف انرژی کم است که منابع محیطی فراوانی را ادغام می‌کند، از جمله پورت‌های I/O آنالوگ و دیجیتال، تایمر/شمارنده، UART، SPI و I2C. این ویژگی‌ها میکروکنترلر C8051F040 را به عنوان پردازنده اصلی کامپیوتر میزبان بسیار مناسب می‌کند که قادر به تأمین نیازهای پردازش داده‌های با سرعت بالا و منطق کنترل پیچیده است.

برای تأمین قابلیت نظارت به‌موقع سیستم، یک واحد نظارت با عملکرد بالا در طراحی کامپیوتر میزبان استفاده شده است. این واحد معمولاً شامل ADC (تبدیل‌کننده آنالوگ-دیجیتال) با سرعت بالا، DAC (تبدیل‌کننده دیجیتال-آنالوگ) و مدارهای نظارت بر ولتاژ/جریان است. این واحد می‌تواند پارامترهای الکتریکی را به‌صورت به‌موقع جمع‌آوری و تبدیل کند و داده‌های دقیقی برای تشخیص خرابی فراهم کند.

در عین حال، کامپیوتر میزبان باید با کامپیوتر پایین‌تر و مرکز نظارت دوردست ارتباط برقرار کند. طراحی شامل انواع رابط‌های ارتباطی مانند RS-232، RS-485 و Ethernet است. این رابط‌ها تضمین می‌کنند که داده‌ها به‌سرعت منتقل شوند و کنترل دوردست امکان‌پذیر باشد.

برای تسهیل نظارت و کنترل اپراتوران روی سیستم، کامپیوتر میزبان نیز با یک رابط انسان-ماشین مجهز شده است که معمولاً شامل صفحه نمایش LCD و کیبورد است. اپراتوران می‌توانند از طریق این رابط‌ها وضعیت سیستم را به‌صورت به‌موقع مشاهده کنند.

(2) سنسور تشخیص عایق

برای تأمین نیازهای بازسازی سیستم‌های DC در نیروگاه‌های قدیمی و زیراستانیون‌ها، کارشناسان یک سنسور تشخیص عایق با دقت بالا و قابل جدا شدن طراحی کرده‌اند. با استفاده از فناوری‌های الکترونیکی پیشرفته و مواد، این سنسور دارای حساسیت بالا، پایداری بالا و عمر طولانی است و حتی در محیط‌های سخت نیز می‌تواند به‌طور پایدار عمل کند.

دقت بالا یکی از شاخص‌های عملکردی کلیدی سنسور تشخیص عایق است. با استفاده از الگوریتم‌های تشخیص پیشرفته و اجزای الکترونیکی، می‌تواند تغییرات کوچک عایق را به‌طور دقیق تشخیص دهد و دقت و به‌موقعیت اطلاعات خرابی را تضمین کند.

با به‌روزرسانی و بازسازی دستگاه‌های عایق‌بندی سیستم‌های DC در نیروگاه‌های قدیمی و زیراستانیون‌ها و استفاده از سنسورهای تشخیص عایق با دقت بالا و قابل جدا شدن، ایمنی سیستم به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این سنسورها قادر به تشخیص با دقت بالا هستند و می‌توانند خرابی‌های عایق را به‌طور به‌موقع تشخیص دهند و در نتیجه به‌طور موثر از وقوع حوادث جلوگیری کنند.

(3) ماژول تشخیص هشدار اولیه

برای بهبود دقت و سرعت واکنش هشدارهای اولیه، این ماژول معمولاً از مکانیسم دوگانه هشدار اولیه فعال و غیرفعال استفاده می‌کند.

هشدار اولیه فعال به معنای تشخیص پیشگیرانه پارامترهای الکتریکی توسط سیستم است. هر زمان که پارامترها از محدوده نرمال خارج شوند، سیگنال هشدار اولیه فوراً فعال می‌شود. هشدار اولیه فعال معمولاً بر اساس سنسورهای با عملکرد بالا و دستگاه‌های جمع‌آوری داده‌ها استوار است. این دستگاه‌ها می‌توانند پارامترهای کلیدی مانند جریان، ولتاژ و فرکانس را به‌صورت به‌موقع نظارت کرده و داده‌های مربوطه را از طریق الگوریتم‌های داخلی تحلیل کنند تا تعیین کنند که آیا خطرات خرابی بالقوه وجود دارد یا خیر. هشدار اولیه غیرفعال، از طرف دیگر، شامل تحلیل پارامترهای الکتریکی مربوطه و صدور سیگنال هشدار اولیه بعد از دریافت سیگنال‌های خارجی است. به عنوان مثال، هنگامی که دستگاه حفاظت رله در زیراستانیون عمل می‌کند، ماژول هشدار اولیه غیرفعال فوراً فعال می‌شود تا علت عمل را تحلیل کرده و تعیین کند که آیا نیاز به اقدامات پردازشی بیشتری است یا خیر، مانند آنچه در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1 طراحی ساختار سخت‌افزاری

در طراحی ساختار سخت‌افزاری ماژول تشخیص هشدار اولیه، ترکیب هشدار اولیه فعال و غیرفعال می‌تواند به طور قابل توجهی قابلیت هشدار اولیه و سرعت واکنش سیستم را افزایش دهد. هشدار اولیه فعال می‌تواند پارامترهای الکتریکی را به‌صورت به‌موقع نظارت کرده و به سرعت خطرات خرابی بالقوه را شناسایی کند؛ در حالی که هشدار اولیه غیرفعال می‌تواند به سرعت به وقوع حوادث خاص واکنش نشان دهد و تحلیل عمیق‌تری از علل خرابی انجام دهد.

برای ترکیب موثر این دو روش هشدار اولیه، باید در طراحی سخت‌افزاری عناصر کلیدی زیر را در نظر گرفت:

• انتخاب سنسورها و دستگاه‌های جمع‌آوری داده‌ها: باید سنسورها و دستگاه‌های جمع‌آوری داده‌های با دقت بالا انتخاب شوند تا دقت داده‌ها تضمین شود.

• قابلیت‌های پردازش و تحلیل داده‌ها: ماژول نظارت هشدار اولیه باید دارای قابلیت‌های پردازش و تحلیل داده‌های قدرتمند باشد تا به سرعت داده‌های ناهماهنگ را شناسایی کرده و تصمیمات هشدار اولیه را بگیرد.

• رابط‌های ارتباطی و پروتکل‌ها: ماژول باید پشتیبانی از چندین رابط ارتباطی و پروتکل را داشته باشد تا امکان تبادل داده‌ها با سیستم‌ها یا دستگاه‌های دیگر فراهم شود.

• قابلیت اطمینان: طراحی سخت‌افزاری باید تضمین کند که ماژول بتواند در محیط‌های حدی به‌طور پایدار عمل کند و از اقدامات ضروری ایمنی برای جلوگیری از عملکرد نادرست و دسترسی غیرمجاز استفاده کند.

III. طراحی نرم‌افزار سیستم
(1) مدل‌سازی شبیه‌سازی ویژگی‌های بار خرابی

هسته سیستم تشخیص اطلاعات خرابی حفاظت رله زیراستانیون در طراحی ساختار نرم‌افزاری آن قرار دارد، به ویژه ساخت مدل‌های بار ثابت و متحرک. این مدل‌ها به منظور توصیف توان فعال و غیرفعال بار در طول عملکرد سیستم، تغییرات کند ولتاژ و فرکانس و معمولاً با استفاده از مدل‌های چندجمله‌ای بیان می‌شوند. مدل بار ثابت معمولاً به صورت زیر بیان می‌شود:

که در آن P و Q به ترتیب توان فعال و غیرفعال را نشان می‌دهند، V ولتاژ است، P0، Q0 و V0 مقادیر حالت مرجع هستند و n و m ضرایب مشخصه بار هستند.

مدل بار متحرک نسبتاً پیچیده‌تر است. این مدل تغییرات دینامیکی بار را در پاسخ به تغییرات ولتاژ و فرکانس در نظر می‌گیرد، از جمله چندین ثابت زمانی برای شبیه‌سازی سرعت پاسخ بار به تغییرات ولتاژ و فرکانس. مدل بار متحرک می‌تواند به صورت یک سری معادلات دیفرانسیلی که نرخ تغییر توان بار را در طول زمان توصیف می‌کنند بیان شود.

در طراحی ساختار نرم‌افزاری، این مدل‌ها در سیستم تشخیص اطلاعات خرابی حفاظت رله ادغام شده و به نظارت و تحلیل وضعیت عملکرد زیراستانیون به‌صورت به‌موقع می‌پردازند. سیستم داده‌های به‌موقع را جمع‌آوری می‌کند، از جمله جریان، ولتاژ، توان و غیره، و از این مدل‌ها برای محاسبات استفاده می‌کند تا به‌طور علمی شرایط خرابی بالقوه را شناسایی کند.

(2) جمع‌آوری اطلاعات خرابی

برای تأمین قابلیت اطمینان دستگاه‌های حفاظت رله، طراحی سیستم تشخیص اطلاعات خرابی بسیار مهم است، به ویژه بخش جمع‌آوری اطلاعات خرابی. این بخش معمولاً به سه ماژول تقسیم می‌شود: جمع‌آوری اطلاعات حالت پایدار، جمع‌آوری اطلاعات گذرا و مدیریت فایل وضعیت.

ماژول جمع‌آوری اطلاعات حالت پایدار عمدتاً مسئول جمع‌آوری پارامترهای الکتریکی زیراستانیون در حالت عملکرد عادی، مانند ولتاژ، جریان، توان و غیره است. این داده‌ها پایه‌ای برای ارزیابی وضعیت عملکرد شبکه برق هستند و همچنین برای تحلیل و پیش‌بینی خرابی‌ها مهم هستند. این ماژول معمولاً شامل سه زیرماژول است: جمع‌آوری داده‌ها، پردازش داده‌ها و ذخیره‌سازی داده‌ها. زیرماژول جمع‌آوری داده‌ها پارامترهای الکتریکی را به‌صورت به‌موقع از طریق رابط با سیستم نظارت زیراستانیون بدست می‌آورد؛ زیرماژول پردازش داده‌ها تحلیل اولیه‌ای بر روی داده‌های جمع‌آوری شده انجام می‌دهد، مقادیر ناهماهنگ را حذف می‌کند و داده‌ها را فرمت‌بندی می‌کند؛ زیرماژول ذخیره‌سازی داده‌ها داده‌های پردازش شده را در یک پایگاه داده ذخیره می‌کند تا برای تحلیل‌های بعدی در دسترس باشد.

ماژول جمع‌آوری اطلاعات گذرا بر روی ضبط حوادث گذرای شبکه برق، مانند خرابی‌های کوتاه‌مداری، بازمداری و غیره تمرکز دارد. این حوادث گذرای معمولاً با تغییرات تیز پارامترهای الکتریکی همراه هستند، بنابراین نیاز به دستگاه‌های جمع‌آوری داده‌های با سرعت و دقت بالا است. این ماژول معمولاً شامل سه زیرماژول است: جمع‌آوری داده‌های با سرعت بالا، شناسایی حوادث گذرا و ذخیره‌سازی داده‌های حوادث. زیرماژول جمع‌آوری داده‌های با سرعت بالا می‌تواند تغییرات پارامترهای الکتریکی را با دقت میکروثانیه‌ای ضبط کند؛ زیرماژول شناسایی حوادث گذرا بر اساس الگوریتم‌های پیش‌فرض تعیین می‌کند که آیا خرابی رخ داده است و نوع خرابی را به‌طور دقیق شناسایی می‌کند؛ زیرماژول ذخیره‌سازی داده‌های حوادث اطلاعات خرابی شناسایی شده را در یک پایگاه داده خاص ذخیره می‌کند که موجب تحلیل عمیق‌تر توسط کارشناسان می‌شود.

ماژول مدیریت فایل وضعیت مسئول مدیریت و نگهداری فایل‌های وضعیت دستگاه‌های حفاظت رله زیراستانیون است و اطلاعات کلیدی مانند جزئیات پیکربندی، وضعیت عملکرد و سابقه خرابی‌های تاریخی دستگاه‌های حفاظت را به‌طور دقیق ضبط می‌کند. این ماژول معمولاً شامل چهار زیرماژول است: ایجاد فایل وضعیت، به‌روزرسانی، جستجو و پشتیبان‌گیری. زیرماژول ایجاد فایل وضعیت یک فایل وضعیت اولیه بر اساس پیکربندی فعلی دستگاه‌های حفاظت تولید می‌کند؛ زیرماژول به‌روزرسانی فایل وضعیت را هنگام تغییر پارامترها یا پیکربندی دستگاه به‌روزرسانی می‌کند؛ زیرماژول جستجو امکان جستجوی اطلاعات موجود در فایل وضعیت را به کاربران می‌دهد؛ زیرماژول پشتیبان‌گیری به‌طور منظم پشتیبان‌گیری از فایل وضعیت را انجام می‌دهد تا از از دست رفتن داده‌ها جلوگیری شود.

(3) تشخیص اطلاعات خرابی

وقتی لایه کنترل ایستگاه اطلاعات هشدار "خطا در اتصال شبکه ترکیبی خط A" را از حفاظت رله دریافت می‌کند، سیستم باید فرآیند تشخیص اطلاعات خرابی را فوراً شروع کند تا تأیید کند که آیا این هشدار منبع منحصر به فرد است یا خیر، یعنی آیا دستگاه‌های دیگر همچنین هشدارهای مشابهی صادر کرده‌اند یا خیر. در این مثال، اگر دستگاه‌های دیگر هشدار صادر نکنند، سیستم بر روی اطلاعات "خطا در اتصال شبکه ترکیبی خط A" تمرکز می‌کند.

برای پردازش و تحلیل موثرتر اطلاعات خرابی، سیستم پنج ترکیب از ترمینال‌های مجازی و گره‌های خرابی طراحی کرده است، مانند آنچه در جدول 1 نشان داده شده است.

هر ترمینال مجازی مسئول وظایف مختلفی است، از نظارت بر وضعیت اتصال شبکه تا ارائه راه‌حل‌ها، و یک فرآیند کامل تشخیص خرابی را تشکیل می‌دهد. از طریق طراحی ساختار نرم‌افزاری فوق، سیستم تشخیص اطلاعات خرابی حفاظت رله زیراستانیون می‌تواند به‌طور موثر اطلاعات خرابی را تشخیص دهد و عملکرد ایمن زیراستانیون را تضمین کند. به‌خصوص هنگام دریافت هشدار "خطا در اتصال شبکه ترکیبی خط A"، سیستم می‌تواند به‌سرعت واکنش نشان دهد و اقدامات مربوطه را اتخاذ کند تا تأثیر خرابی بر سیستم برق را به حداقل برساند.

IV. تأیید آزمایشی
(1) ساختار توپولوژی شبکه

طراحی ساختار توپولوژی شبکه سیستم تشخیص اطلاعات خرابی حفاظت رله برای زیراستانیون 500 kV که در سال 2023 به بهره‌برداری رسید، به طور صریح اصول اساسی قابلیت اطمینان بالا، قابلیت دسترسی بالا و نگهداری آسان را رعایت می‌کند. این سیستم از یک معماری شبکه سلسله‌مراتبی و توزیع‌شده استفاده می‌کند و مراحل اجرای آن به خوبی سازمان‌دهی شده‌اند و عمدتاً شامل مراحل زیر است.

• جمع‌آوری داده‌ها: از طریق سنسورها و دستگاه‌های جمع‌آوری داده‌های نصب شده در گره‌های کلیدی زیراستانیون، داده‌های عملکرد دستگاه‌های حفاظت رله به‌صورت به‌موقع جمع‌آوری می‌شوند.

• انتقال داده‌ها: با استفاده از فناوری ارتباط شبکه، داده‌های جمع‌آوری شده به مرکز پردازش داده‌ها به‌طور دقیق و به‌موقع منتقل می‌شوند.

• تحلیل داده‌ها: در مرکز پردازش داده‌ها، کامپیوترهای با عملکرد بالا و نرم‌افزارهای تخصصی تحلیل داده‌ها استفاده می‌شوند تا داده‌ها را تحلیل کرده، الگوهای ناهماهنگ و خرابی‌های بالقوه را شناسایی کنند.

• تشخیص خرابی: هنگامی که یک ناهماهنگی شناسایی شود، سیستم به‌طور خودکار تشخیص خرابی را انجام می‌دهد تا نوع و مکان خرابی را تعیین کند.

• هشدار و واکنش: سیستم اطلاعات خرابی را از طری