طراحی سیستم آشکارسازی اطلاعات خطا در حفاظت رلهای زیرستان

۱. مقدمه

در سال‌های اخیر، با گسترش مداوم مقیاس شبکه برق، زیرстанسیون‌ها 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 رله‌ای به عنوان خط دفاع اول برای عملکرد ایمن زیرستانسیون‌ها عمل می‌کند. دقت و سرعت حفاظت رله‌ای به طور مستقیم با پایداری سیستم برق مرتبط است. بنابراین، تشخیص مؤثر اطلاعات خطا در سیستم حفاظت رله‌ای زیرستانسیون، شناسایی و رسیدگی به موقع به خرابی‌های بالقوه، اهمیت بسزایی برای حفظ عملکرد ایمن سیستم برق دارد.

روش‌های سنتی تشخیص خرابی‌های حفاظت رله‌ای عمدتاً به بررسی‌های دستی و نگهداری منظم متکی هستند. این روش‌ها نه تنها وقت‌گیر و کارآمد نیستند بلکه نمی‌توانند نظارت به‌موقع را فراهم کنند. بنابراین، آن‌ها معمولاً از نشانه‌های اولیه خرابی‌ها چشم‌پوشی می‌کنند. با گسترش مداوم فناوری اطلاعات، به ویژه پیشرفت‌های فناوری کامپیوتر و ارتباطات، سیستم‌های مدرن تشخیص اطلاعات خطا حفاظت رله‌ای زیرستانسیون‌ها شروع به استفاده از روش‌های خودکار کرده‌اند. از طریق جمع‌آوری داده‌های به‌موقع، این سیستم‌ها می‌توانند نظارت به‌موقع بر وضعیت حفاظت رله‌ای را فراهم کنند و خرابی‌ها را به سرعت محل‌یابی کنند.

بنابراین، در این مقاله یک سیستم تشخیص اطلاعات خطا حفاظت رله‌ای زیرستانسیون بر اساس فناوری اطلاعات مدرن پیشنهاد شده و به طور دقیق بر روی ساختار سخت‌افزاری، طراحی نرم‌افزاری و نتایج آزمایشی آن مورد بحث قرار گرفته است.

۲. طراحی ساختار سخت‌افزاری سیستم
(۱) کامپیوتر میزبان

طراحی کامپیوتر میزبان به طور مستقیم عملکرد کل سیستم را تحت تأثیر قرار می‌دهد. ساختار سخت‌افزاری آن از میکروکنترلر تک‌بلور C8051F040 به عنوان پردازنده مرکزی استفاده می‌کند. میکروکنترلر C8051F040 یک میکروکنترلر مخلوطی با عملکرد بالا و مصرف انرژی پایین است که منابع محیطی فراوانی از جمله پورت‌های ورودی/خروجی آنالوگ و دیجیتال، تایمر/شمارنده، UART، SPI و I2C را یکپارچه می‌کند. این ویژگی‌ها میکروکنترلر C8051F040 را برای پردازنده مرکزی کامپیوتر میزبان بسیار مناسب می‌کند که می‌تواند نیازهای پردازش داده‌های سریع و منطق کنترل پیچیده را برآورده کند.

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

در عین حال، کامپیوتر میزبان نیاز به ارتباط با کامپیوتر پایین‌تر و مرکز نظارت دوردست دارد. طراحی شامل رابط‌های ارتباطی مختلفی مانند RS-232، RS-485 و Ethernet است. این رابط‌ها انتقال سریع داده‌ها و قابلیت کنترل دوردست را تضمین می‌کنند.

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

(۲) سنسور تشخیص عایق

برای برآورده کردن نیازهای تغییرات سیستم‌های DC در نیروگاه‌ها و زیرستانسیون‌های قدیمی، کارشناسان یک سنسور تشخیص عایق با دقت بالا و قابل جدا کردن 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 به صورت پایدار عمل کند.

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

با به‌روزرسانی و تغییر دستگاه‌های عایق‌بندی سیستم‌های DC در نیروگاه‌ها و زیرستانسیون‌های قدیمی و استفاده از سنسورهای تشخیص عایق با دقت بالا و قابل جدا کردن، ایمنی سیستم به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این سنسورها قادر به تشخیص با دقت بالا هستند و می‌توانند خرابی‌های عایق را به‌موقع شناسایی کنند و بدین ترتیب به مؤثر برای جلوگیری از وقوع حوادث عمل کنند.

(۳) ماژول تشخیص هشدار اولیه

برای بهبود دقت و سرعت هشدارهای اولیه، این ماژول معمولاً مکانیسم دوگانه هشدار اولیه فعال و غیرفعال را یکپارچه می‌کند.

هشدار اولیه فعال به معنای تشخیص پیشگیرانه پارامترهای الکتریکی توسط سیستم است. هنگامی که پارامترها از محدوده نرمال خارج شوند، سیگنال هشدار اولیه فوراً فعال می‌شود. هشدار اولیه فعال معمولاً بر روی سنسورهای با عملکرد بالا و دستگاه‌های جمع‌آوری داده‌ها متکی است. این دستگاه‌ها می‌توانند پارامترهای کلیدی مانند جریان، ولتاژ و فرکانس را به‌صورت به‌موقع نظارت کنند و داده‌های مربوطه را با استفاده از الگوریتم‌های داخلی تحلیل کنند تا تعیین کنند آیا خطرات خرابی بالقوه وجود دارند. هشدار اولیه غیرفعال، از سوی دیگر، شامل تحلیل پارامترهای الکتریکی مربوطه و صدور سیگنال هشدار اولیه بعد از دریافت سیگنال‌های خارجی است. به عنوان مثال، هنگامی که دستگاه حفاظت رله‌ای در زیرستانسیون عمل می‌کند، ماژول هشدار اولیه غیرفعال فوراً فعال می‌شود تا دلیل عمل را تحلیل کند و تعیین کند آیا نیاز به اقدامات پردازشی بیشتری وجود دارد، همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل ۱ طراحی ساختار سخت‌افزاری

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

برای ترکیب مؤثر این دو روش هشدار اولیه، عناصر کلیدی زیر باید در طراحی سخت‌افزاری در نظر گرفته شوند:

• 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 داده‌های ناهماهنگ را به سرعت شناسایی کند و تصمیمات هشدار اولیه را بگیرد.

• رابط‌های ارتباطی و پروتکل‌ها: ماژول باید رابط‌های ارتباطی و پروتکل‌های متعددی را پشتیبانی کند تا تبادل داده‌ها با سیستم‌ها یا دستگاه‌های دیگر را تسهیل کند.

• قابلیت اعتماد: طراحی سخت‌افزاری باید تضمین کند که ماژول بتواند در محیط‌های حدی به صورت پایدار عمل کند و از اقدامات نادرست و دسترسی غیرمجاز جلوگیری کند.

۳. طراحی نرم‌افزار سیستم
(۱) مدل‌سازی شبیه‌سازی مشخصات بار خرابی

لبّی سیستم تشخیص اطلاعات خطا حفاظت رله‌ای زیرستانسیون در طراحی ساختار نرم‌افزاری آن، به ویژه ساخت مدل‌های بار ثابت و متحرک است. این مدل‌ها هدف آن است تا توان فعال و توان راکتیو بار در طول عملکرد سیستم، به همراه تغییرات آهسته ولتاژ و فرکانس را توصیف کنند 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 توان راکتیو را نشان می‌دهند، V ولتاژ است، P0، Q0، V0 مقادیر در حالت مرجع هستند و n و m ضرایب مشخصات بار هستند.

مدل بار متحرک نسبتاً پیچیده‌تر است. این مدل تغییرات دینامیکی بار را در پاسخ به تغییرات ولتاژ و فرکانس در نظر می‌گیرد و شامل چندین ثابت زمانی برای شبیه‌سازی سرعت پاسخ بار به تغییرات ولتاژ و فرکانس است. 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 خطا حفاظت رله‌ای یکپارچه شده‌اند تا وضعیت عملکرد زیرستانسیون را به‌صورت به‌موقع نظارت و تحلیل کنند. سیستم داده‌های به‌موقع را جمع‌آوری می‌کند، از جمله جریان، ولتاژ، توان و غیره، و از این مدل‌ها برای محاسبات استفاده می‌کند تا به صورت علمی شرایط خرابی بالقوه را شناسایی کند.

(۲) جمع‌آوری اطلاعات خطا

برای تضمین قابلیت اطمینان دستگاه‌های حفاظت رله‌ای، طراحی سیستم تشخیص اطلاعات خطا بسیار مهم است، به ویژه بخش جمع‌آوری اطلاعات خطا. این بخش معمولاً به سه ماژول تقسیم می‌شود: جمع‌آوری اطلاعات حالت پایدار، جمع‌آوری اطلاعات گذرا و مدیریت فایل‌های وضعیت.

ماژول جمع‌آوری اطلاعات حالت پایدار عمدتاً مسئول جمع‌آوری پارامترهای الکتریکی زیرستانسیون در طول 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 از طریق رابط با سیستم نظارت زیرستانسیون پارامترهای الکتریکی را به‌صورت به‌موقع دریافت می‌کند؛ زیرماژول پردازش داده‌ها تحلیل اولیه 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 برای تحلیل‌های بعدی.

ماژول جمع‌آوری اطلاعات گذرا بر روی ضبط حوادث گذرا در شبکه برق متمرکز است، مانند کوتاه‌مداری، باز شدن مدار و غیره. این حوادث گذرا معمولاً با تغییرات تیز پارامترهای الکتریکی همراه هستند، بنابراین نیاز به دستگاه‌های جمع‌آوری داده‌های با سرعت و دقت بالا دارند. 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 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 کارکنان می‌شود.

ماژول مدیریت فایل‌های وضعیت مسئول مدیریت و نگهداری فایل‌های وضعیت دستگاه‌های حفاظت رله‌ای زیرستانسیون است و اطلاعات کلیدی مانند جزئیات پیکربندی، وضعیت عملکرد و سابقه خرابی‌های محافظ را به طور 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 محافظ ایجاد می‌کند؛ زیرماژول به‌روزرسانی فایل وضعیت را هنگامی که پارامترها یا پیکربندی دستگاه‌ها تغییر می‌کنند به‌روزرسانی می‌کند؛ زیرماژول جستجو به کاربران اجازه می‌دهد اطلاعات موجود در فایل وضعیت را جستجو کنند؛ زیرماژول پشتیبان‌گیری به طور منظم پشتیبان‌گیری از فایل وضعیت را انجام می‌دهد تا از از دست دادن داده‌ها جلوگیری شود.

(۳) تشخیص اطلاعات خطا

وقتی لایه کنترل ایستگاه اطلاعات هشدار "خطا در اتصال شبکه ترکیبی خط A" را از حفاظت رله‌ای دریافت می‌کند، سیستم باید فرآیند تشخیص اطلاعات خطا را فوراً آغاز کند تا تأیید کند که آیا این هشدار منبع منحصر به فرد است یا آیا دستگاه‌های دیگر نیز هشدارهای مشابهی ارسال کرده‌اند. در این مثال، اگر دستگاه‌های دیگر هشدار نداده باشند، سیستم بر روی اطلاعات "خطا در اتصال شبکه ترکیبی خط A" تمرکز خواهد کرد.

برای پردازش و تحلیل مؤثرتر اطلاعات خطا، سیستم پنج ترکیب از ترمینال‌های مجازی و گره‌های خرابی طراحی کرده است، همان‌طور که در جدول ۱ نشان داده شده است.

هر ترمینال مجازی مسئولیت‌های مختلفی دارد، از نظارت بر وضعیت اتصال شبکه تا ارائه راه‌حل‌ها، که یک فرآیند کامل تشخیص و مدیریت خرابی را تشکیل می‌دهد. از طریق طراحی ساختار نرم‌افزاری فوق، سیستم تشخیص اطلاعات خطا حفاظت رله‌ای زیرستانسیون می‌تواند به طور مؤثر اطلاعات خطا را تشخیص دهد و عملکرد ایمن زیرستانسیون را تضمین کند. به ویژه هنگام دریافت هشدار "خطا در اتصال شبکه ترکیبی خط A"، سیستم می‌تواند به سرعت واکنش نشان دهد و اقدامات متناسب را اتخاذ کند تا تأثیر خرابی بر سیستم برق را به حداقل برساند.

۴. تأیید آزمایشی
(۱) ساختار توپولوژی شبکه

طراحی ساختار توپولوژی شبکه سیستم تشخیص اطلاعات خطا حفاظت رله‌ای برای زیرستانسیون ۵۰۰ کیلوولتی که در سال ۲۰۲۳ به بهره‌برداری رسید، به طور stri