Aseman suojalaitteen virheilmoitusjärjestelmän suunnittelu
I. Johdanto
Viime vuosina sähköverkon koon jatkuva laajentuminen on tehnyt alustoista avainkomponentteja, jotka ovat tärkeässä roolissa koko sähköverkon luotettavuuden varmistamisessa turvallisen ja vakavan toiminnan kautta. Sulatuskaitse toimii ensimmäisenä linjan puolustajana alustojen turvalliselle toiminnalle. Sulatuskaitteen tarkkuus ja nopeus liittyvät suoraan sähköjärjestelmän vakauteen. Siksi aluston sulatuskaitesysteemin virhearvioinnin tehokas havaitseminen, potentiaalisten virheiden ajoissa tunnistaminen ja käsitteleminen on erittäin tärkeää sähköjärjestelmän turvallisen toiminnan takaamiseksi.
Perinteiset sulatuskaitevirheiden havaitsemismenetelmät perustuvat pääasiassa manuaalisiin tarkastuksiin ja säännölliseen huoltoon. Nämä menetelmät ovat paitsi aikaa vieviä myös työvoimaan sitovia, eivätkä kykene toteuttamaan reaaliaikaisen valvonnan. Tämän seurauksena ne altistuvat sille, että virheiden varhaiset signaalit jäädään huomaamatta. Informaatiotekniikan jatkuvan kehityksen, erityisesti tietokonetekniikan ja viestintätekniikan edistymisen myötä, modernit alustonsulatuskaitteiden virhearvioinnin havaitsemijärjestelmät ovat aloineet käyttämään automatisoituja menetelmiä. Reaaliaikaisen datan keräämisellä nämä järjestelmät voivat saavuttaa sulatuskaitteen tilan reaaliaikaisen valvonnan ja nopeasti paikantaa virheet.
Tässä artikkelissa esitetään alustonsulatuskaitteiden virhearvioinnin havaitsemijärjestelmä, joka perustuu moderniin informaatioteknologiaan, ja sen laite- ja ohjelmistorakennetta sekä kokeellisia tuloksia selitetään yksityiskohtaisesti.
II. Järjestelmän laiterakenteen suunnittelu
(1) Isäntätietokone
Isäntätietokoneen suunnittelu vaikuttaa suoraan koko järjestelmän toimintaan. Sen laiterakenne käyttää C8051F040 yksiprosessoria ytimekkäänä prosessoreina. C8051F040 yksiprosessori on korkeasuorituskykyinen ja matalahenkilöllinen analogi-digitaalinen mikrokontrolleri, joka sisältää runsaasti ulkoisia resursseja, kuten analogisia ja digitaalisia I/O-portteja, ajastimia/laskureita, UART, SPI ja I2C-viestintärajapintoja. Nämä ominaisuudet tekevät C8051F040:n hyvin sopivaksi isäntätietokoneen ytimekkäänä prosessoreina, joka pystyy täyttämään nopean datan käsittelyn ja kompleksisen ohjauslogiikan vaatimukset.
Järjestelmän reaaliaikaisen valvonnan varmistamiseksi isäntätietokoneen suunnittelussa käytetään korkeasuorituskykyistä valvontayksikköä. Tämä yksikkö sisältää yleensä korkeanopean ADC (analogi-digitaalikonverterin), DAC (digitaali-analogikonverterin) sekä jännite/virtavalvontaohjaimet. Se voi kerätä ja muuntaa sähköparametreja reaaliaikaisesti, tarjoten tarkkaa tietoavustusta virheen diagnostiikkaan.
Samalla isäntätietokoneen on kommunikoitava alatietokoneen ja etävalvontakeskuksen kanssa. Suunnittelu sisältää useita viestintärajapintoja, kuten RS-232, RS-485 ja Ethernet. Nämä rajapinnat varmistavat tiedon nopean siirtämisen ja etäohjauksen mahdollistamisen.
Operaattoreiden helpottamiseksi järjestelmän valvonnassa ja ohjauksessa isäntätietokoneeseen on asennettu ihmisoheiskäyttöliittymä, joka koostuu yleensä LCD-näyttöluettelosta ja näppäimistöstä. Operaattorit voivat käyttää näitä liittymiä järjestelmän tilan reaaliaikaiseen tarkasteluun.
(2) Erityydyshäiriön havaitsemasensori
Vanhojen voimaloiden ja alustojen DC-järjestelmien uudistustarpeiden täyttämiseksi henkilökunta on suunnitellut korkeatarkkuuden irrotettavan erityydyshäiriön havaitsemasensorin. Tämä sensori käyttää edistyneitä elektronisteollisuuden tekniikoita ja materiaaleja, ja sillä on korkea herkkyys, vakaus ja pitkä käyttöikä. Se pystyy toimimaan vakaudella jopa vaikeissa olosuhteissa.
Korkea tarkkuus on erityydyshäiriön havaitsemasensorin keskeinen suorituskykyindikaattori. Käyttämällä edistyneitä havaintoalgoritmeja ja elektronisiä komponentteja se voi tarkasti havaita pieniä erityydyshäiriöiden muutoksia, taaten häiriöinformaation tarkkuuden ja ajallisen oikeellisuuden.
Vanhojen voimaloiden ja alustojen DC-järjestelmien lämpöeristyksen päivityksellä ja korkeatarkkuuden irrotettavan erityydyshäiriön havaitsemasensorien käytöllä voidaan merkittävästi parantaa järjestelmän turvallisuutta. Nämä sensorit pystyvät korkeatarkkuuden havaintoon ja voivat nopeasti havaita erityydyshäiriöitä, estäen tehokkaasti onnettomuustapahtumien tapahtumista.
(3) Varhaisvaroitusmoduuli
Varhaisvaroituksen tarkkuuden ja vastepäiväisen nopeuden parantamiseksi tämä moduuli yleensä integroi aktiivisen varhaisvaroituksen ja passiivisen varhaisvaroituksen kaksoismekanismi.
Aktiivinen varhaisvaroitus tarkoittaa järjestelmän proaktiivista sähköparametrien havaitsemista. Kun parametrit poikkeavat normaalista rajasta, varhaisvaroitusmerkki aktivoidaan välittömästi. Aktiivinen varhaisvaroitus perustuu yleensä korkeasuorituskykyisiin sensoreihin ja datankeräämislaitteisiin. Nämä laitteet voivat reaaliaikaisesti valvoa keskeisiä parametreja, kuten virtaa, jännitteitä ja taajuutta, ja analysoida liittyviä tietoja sisäisten algoritmien avulla, määrittääkseen, onko olemassa potentiaalinen virheriski. Passiivinen varhaisvaroitus, toisaalta, tarkoittaa, että järjestelmä analysoi liittyviä sähköparametreja ja lähettää varhaisvaroitusmerkin, kun se vastaanottaa ulkoisia signaaleja. Esimerkiksi, kun aluston sulatuskaitelaite toimii, passiivinen varhaisvaroitusmoduuli aktivoituu välittömästi analysoimaan toiminnan syytä ja määrittämään, onko lisätoimenpiteitä tarpeen, kuten kuvassa 1.
Kuva 1 Laiterakenteen suunnittelu
Varhaisvaroitusmoduulin laiterakenteen suunnittelussa aktiivisen ja passiivisen varhaisvaroituksen yhdistäminen voi merkittävästi parantaa järjestelmän varhaisvaroituskykyä ja vastepäiväistä nopeutta. Aktiivinen varhaisvaroitus voi reaaliaikaisesti valvoa sähköparametreja ja nopeasti tunnistaa potentiaalisia virheriskejä, kun taas passiivinen varhaisvaroitus voi reagoida nopeasti tietyissä tapahtumissa ja syventää virhesyiden analyysiä.
Näiden kahden varhaisvaroitusmenetelmän tehokkaan yhdistämiseksi laiterakennetta suunniteltaessa on otettava huomioon seuraavat keskeiset elementit:
Sensoreiden ja datankeräämislaitteiden valinta: On valittava korkeatarkkuuden sensoreita ja datankeräämislaitteita, jotta data on tarkka.
Datankäsittely- ja analysointikyky: Varhaisvaroitusvalvontamoduulilla on oltava tehokas datankäsittely- ja analysointikyky, jotta voidaan nopeasti tunnistaa epätavallisia tietoja ja tehdä varhaisvaroitusarviointeja.
Viestintärajapinnat ja protokollat: Moduulilla on oltava useita viestintärajapintoja ja protokollia, jotta voidaan helpottaa tietojenvaihtoa muiden järjestelmien tai laitteiden kanssa.
Luotettavuus: Laiterakennetta suunnitellessa on varmistettava, että moduuli voi toimia vakaudella äärimmäisissä olosuhteissa ja oteta käyttöön tarvittavat turvatoimet, jotta voidaan estää väärä toiminta ja ei-sallittu pääsy.
III. Järjestelmän ohjelmistosuunnittelu
(1) Virhelastien simulointimallinnus
Alustonsulatuskaitteiden virhearvioinnin havaitsemijärjestelmän ydin osuus on sen ohjelmistorakennetta, erityisesti staattisten ja dynaamisten lastimallien luomisessa. Nämä mallit pyrkivät kuvaamaan lastin aktiivista ja reaktiivista tehoa järjestelmän toiminnassa, sekä hitaasti muuttuvia jännitteitä ja taajuutta, ja ne ilmaistaan yleensä polynomimalleilla. Staattinen lastimalli ilmaistaan yleensä seuraavasti:
missä P ja Q edustavat aktiivista ja reaktiivista tehoa, V on jännite, P0, Q0, V0 ovat viitearvot, ja n ja m ovat lastin ominaisuuskertoimet.
Dynaaminen lastimalli on suhteellisen monimutkainen. Se ottaa huomioon lastin dynaamisen reaktion jännitteen ja taajuuden muutoksiin, mukaan lukien useat aikavakiot, jotta simuloidaan lastin reaktiota jännitteen ja taajuuden muutoksiin. Dynaaminen lastimalli voidaan ilmaista differentiaaliyhtälöiden sarjana, jotka kuvaavat lastitehon muutoksen ajan kuluessa.
Ohjelmistorakenteessa nämä mallit integroituvat alustonsulatuskaitteiden virhearvioinnin havaitsemijärjestelmään, jotta voidaan reaaliaikaisesti valvoa ja analysoida aluston toimintatilaa. Järjestelmä kerää reaaliaikaisia tietoja, kuten virtaa, jännitettä, tehoa, ja käyttää näitä malleja laskutoimituksiin, jotta voidaan tieteellisesti tunnistaa potentiaalisia virhetilanteita.
(2) Virhetietojen kerääminen
Sulatuskaitelaiteiden luotettavuuden varmistamiseksi virhetietojen havaitsemijärjestelmän suunnittelu on erityisen tärkeää, erityisesti virhetietojen keräämisessä. Tämä osa on yleensä jaettu kolmeen moduuliin: vakion tilan tietojen kerääminen, transien titilanteiden tietojen kerääminen ja tilatiedostojen hallinta.
Vakion tilan tietojen keräämismoduuli on pääasiassa vastuussa aluston normaalin toiminnon sähköparametrien keräämisestä, kuten jännitteestä, virtasta, tehosta. Nämä tiedot ovat perustana sähköverkon toimintatilan arvioinnille ja ovat myös tärkeitä virheanalyysille ja ennustamiselle. Tämä moduuli sisältää yleensä kolme alamoduulia: tietojen kerääminen, tietojen käsittely ja tietojen tallentaminen. Tietojen kerääminenal amoduuli hakee sähköparametreja reaaliaikaisesti aluston valvontajärjestelmän rajapinnan kautta; tietojen käsittelyalamoduuli suorittaa alkuperäisen analyysin kerättyihin tietoihin, poistaa epätavalliset arvot ja muotoilee tiedot; tietojen tallennusal amoduuli tallentaa käsittelyyn joutuneet tiedot tietokantaan jatkossa analysoitavaksi.
Transien titilanteiden tietojen keräämismoduuli keskittyy sähköverkon transien titapahtumien, kuten lyhytsulutuksen, avautumisen ja muiden virheiden, havaitsemiseen. Nämä transien titapahtumat ovat yleensä yhtä aikaa sähköparametrien jyrkästi muuttujien, joten tarvitaan nopea ja tarkka tietojenkeräämislaite. Tämä moduuli sisältää yleensä kolme alamoduulia: nopea tietojenkerääminen, transien titapahtuman tunnistaminen ja tapahtumatietojen tallentaminen. Nopean tietojenkerääminenal amoduuli voi tallentaa sähköparametrien muutokset mikrosekuntitasolla; transien titapahtuman tunnistusal amoduuli määrittelee, onko virhe tapahtunut, ja tunnistaa tarkan virhetypin mukaan asetetuilla algoritmeilla; tapahtumatietojen tallennusal amoduuli tallentaa tunnistetut virhetiedot erityiseen tietokantaan, joka on hyödyllistä henkilökunnan syvälliselle analyysille.
Tilatiedostojen hallintamoduuli on vastuussa alustonsulatuskaitelaiteiden tilatiedostojen hallinnasta ja ylläpidosta, ja se kirjaa yksityiskohtaisesti suojauslaitteiden konfigurointitiedot, toimintatila ja historialliset virhetiedot. Se sisältää yleensä neljä alamoduulia: tilatiedoston luominen, päivittäminen, hakeminen ja varmuuskopioiminen. Luontiamoduuli luo alkuperäisen tilatiedoston suojauslaitteiden todellisen konfiguraation mukaan; päivitysamoduuli päivittää tilatiedoston, kun laitteen parametrit tai konfiguraatio muuttuvat; hakemisalamoduuli antaa käyttäjälle mahdollisuuden hakea tietoja tilatiedostosta; varmuuskopioamoduuli suorittaa säännöllisesti varmuuskopiot tilatiedostoista, jotta voidaan tehokkaasti välttää tietojen menetys.
(3) Virhetietojen havaitseminen
Kun hallintataso vastaanottaa "A-linja yhdistetty verkkoyhteysvirhe" -hälytyksen sulatuskaitteilta, järjestelmän tulisi välittömästi käynnistää virhetietojen havaitseminen vahvistaakseen, onko tämä hälytys ainoa lähde, eli onko muut laitteet myös lähettäneet samankaltaisia hälytyksiä. Tässä esimerkissä, jos muut laitteet eivät ole lähettäneet hälytyksiä, järjestelmä keskittyy "A-linja yhdistetty verkkoyhteysvirhe" -tiedon käsittelyyn.
Virhetietojen tehokkaampaa käsittelyä ja analysointia varten järjestelmä on suunniteltu viiden kombinaation virtuaalisista terminaaleista ja virhepisteistä, kuten taulukossa 1.
Jokainen virtuaaliterminaali on vastuussa eri tehtävistä, verkostoyhteyden tilan valvonnasta ratkaisujen tarjoamiseen, muodostuen täydelliseksi virhekäsittelyprosessiksi. Edellä mainitun ohjelmistorakenteen avulla alustonsulatuskaitteiden virhetietojen havaitsemijärjestelmä voi tehokkaasti havaita virhetietoja ja varmistaa aluston turvallisen toiminnan. Erityisesti "A-linja yhdistetty verkkoyhteysvirhe" -hälytyksen vastaanottamisessa järjestelmä voi reagoida nopeasti ja ryhtyä asianmukaisiin toimiin vähentääksesi virheen vaikutusta sähköjärjestelmään.
IV. Kokeellinen varmistus
(1) Verkon topologiarakenne
500 kV aluston sulatuskaitteiden virhetietojen havaitsemijärjestelmän verkon topologiarakenne, joka otettiin käyttöön vuonna 2023, noudattaa tiukasti korkean luotettavuuden, korkean saatavuuden ja helpon huollon ydinperiaatteita. Tämä järjestelmä käyttää hierarkista ja hajautettua verkkorakennetta, ja sen toteutusvaiheet on hyvin järjestetty, sisältäen pääasiassa seuraavat linkit.
Tietojen kerääminen: Aluston eri avainpisteisiin asennettujen sensorien ja tietojenkeräämislaitteiden kautta sulatuskaitelaiteiden toimintatiedot kerätään reaaliaikaisesti.
Tietojen siirto: Verkkoviestintätekniikan avulla kerätty tieto siirretään ajoissa ja tarkasti tietojenkäsittelykeskukseen.
Tietojen analysointi: Tietojenkäsittelykeskuksessa korkeasuorituskykyiset tietokoneet ja ammattitaitoinen analysointiohjelmisto käsitellään tietoja, tunnistetaan epätavallisia kaavoja ja potentiaalisia virheitä.
Virhedianos: Kun epätavallisuus havaitaan, järjestelmä suorittaa automaattisesti virhedianos määrittääksesi virhetypin ja sijaintin.
Hälytys ja reagointi: Järjestelmä ilmoittaa operaatio- ja ylläpitohenkilökunnalle virhetiedoista hälytysjärjestelmän kautta ja tarjoaa alustavia virhekäsittelyehdotuksia.
Virhekäsittely: Operaatio- ja ylläpitohenkilökunta voi nopeasti ryhtyä toimiin virheen käsittelyyn järjestelmän tarjoaman virhetiedon ja ehdotusten mukaan, jolloin sähköverkon vakaa toiminta voidaan varmistaa.
(2) Kokeelliset tulokset ja analyysi
Kokeessa käytettiin kahdet havaitsemisjärjestelmää: yksi on perinteinen alustonsulatuskaitteiden toissijaisen piirin SCD-tiedostopohjainen online-havaitsemisjärjestelmä, ja toinen on alustonsulatuskaitteiden virhetietojen havaitsemisjärjestelmä, joka perustuu aika-avaruusanalyysiin. Molemmat järjestelmät testattiin samassa alustoympäristössä varmistaakseen tulosten vertailukelpoisuuden [8].
Kokeelliset tiedot osoittavat, että SCD-tiedostopohjaisen havaitsemisjärjestelmän mittamat positiivisen ja negatiivisen busbarin maksimieritys jännitteet ovat 192.1 V ja 191.4 V, kun taas aika-avaruusanalyysin perustuva havaitsemisjärjestelmän vastaavat arvot ovat 190.3 V ja 210.23 V. Tarkat tiedot on esitetty taulukossa 2.
Kokeellisten tulosten perusteella voidaan nähdä, että aika-avaruusanalyysin perustuva havaitsemisjärjestelmän positiivisen busbarin maksimieritysjännite on hieman alhaisempi kuin SCD-tiedostopohjaisen havaitsemisjärjestelmän, mutta negatiivisen busbarin arvo on hieman korkeampi. Tämä osoittaa, että aika-avaruusanalyysin perustuva havaitsemisjärjestelmä voi tarjota tarkempia mittarituloksia tietyissä tilanteissa. Kuitenkin tämä ero ei ole merkittävä. Siksi näiden kahden järjestelmän suorituskykyerojen syvällisemmän ymmärtämisen saavuttamiseksi saattaa olla tarpeen kerätä ja analysoida paljon kokeellista dataa.
V. Johtopäätös
Tässä artikkelissa suunniteltu ja tutkitu alustonsulatuskaitteiden uusi virhetietojen havaitsemisjärjestelmä voi reaaliaikaisesti valvoa sulatuskaitelaiteiden toimintatilaa, automaattisesti analysoida ja diagnooida virhetietoja, ja välittää nopeasti virhetiedot operaatio- ja ylläpitohenkilökunnalle verkkoviestintätekniikan avulla. Tämä mahdollistaa heidän nopeat toimet, jotta virheiden laajentuminen voidaan estää ja sähköjärjestelmän turvallinen ja vakaa toiminta voidaan taata.
