Ang disenyo ng sistema ng pagdedekta ng impormasyon sa kasiraan ng proteksyon ng relay ng substation

I. Pagkakataon

Sa mga nakaraang taon, habang patuloy na lumalaki ang saklaw ng grid ng kuryente, ang mga substation, bilang mahahalagang node sa sistema ng kuryente, ay naglalaro ng mahalagang papel sa pagtaguyod ng katiyakan ng buong grid ng kuryente sa pamamagitan ng kanilang ligtas at matatag na operasyon. Ang relay protection ay nagsisilbing unang linya ng depensa para sa ligtas na operasyon ng mga substation. Ang tumpak at mabilis na pag-respond ng relay protection ay direktang may kaugnayan sa estabilidad ng sistema ng kuryente. Kaya, ang mabuting pagtukoy ng impormasyon hinggil sa pagkakamali ng sistema ng relay protection ng substation, ang maagang pagtukoy at pag-aaksiyon sa potensyal na pagkakamali, ay napakahalaga para sa pagprotekta ng ligtas na operasyon ng sistema ng kuryente.

Ang mga tradisyonal na pamamaraan sa pagtukoy ng pagkakamali ng relay protection ay karaniwang umiiral sa pamamagitan ng manual na inspeksyon at regular na pagmamanntenance. Ang mga pamamaraang ito ay hindi lamang mapagod at maraming gawain, kundi hindi rin sila makakamit ang real-time monitoring. Dahil dito, sila ay madaling mawalan ng maagang senyas ng pagkakamali. Sa patuloy na pag-unlad ng teknolohiya ng impormasyon, lalo na ang mga pag-unlad sa teknolohiya ng kompyuter at komunikasyon, ang mga modernong sistema ng pagtukoy ng impormasyon hinggil sa pagkakamali ng relay protection ng substation ay nagsimulang gumamit ng automatikong pamamaraan. Sa pamamagitan ng real-time data collection, ang mga sistema na ito ay maaaring makamit ang real-time monitoring ng estado ng relay protection at mabilis na matukoy ang mga pagkakamali.

Kaya, ang papel na ito ay nagpopropona ng isang sistema ng pagtukoy ng impormasyon hinggil sa pagkakamali ng relay protection ng substation batay sa modernong teknolohiya ng impormasyon at ibinibigay ang detalyadong disenyo ng hardware structure, software design, at resulta ng eksperimento.

II. Disenyo ng Hardware Structure ng Sistema
(1) Host Computer

Ang disenyo ng host computer ay direktang nakakaapekto sa performance ng buong sistema. Ang hardware structure nito ay gumagamit ng C8051F040 single-chip microcomputer bilang core processor. Ang C8051F040 single-chip microcomputer ay isang high-performance at low-power mixed-signal microcontroller na may sapat na peripheral resources, kabilang ang analog at digital I/O ports, timer/counters, UART, SPI, at I2C communication interfaces, at iba pa. Ang mga katangian na ito ay ginagawa ang C8051F040 na napakasama bilang core processor ng host computer, na maaaring tugunan ang mga pangangailangan ng high-speed data processing at complex control logic.

Upang tiyakin ang kakayahan ng sistema sa real-time monitoring, isang high-performance monitoring unit ang ginagamit sa disenyo ng host computer. Ang unit na ito karaniwang kasama ang high-speed ADC (Analog-to-Digital Converter), DAC (Digital-to-Analog Converter), at voltage/current monitoring circuits. Ito ay maaaring mag-collect at mag-convert ng electrical parameters sa real-time, na nagbibigay ng tumpak na suporta ng datos para sa fault diagnosis.

Samantala, ang host computer ay kailangang makipag-ugnayan sa lower computer at remote monitoring center. Ang disenyo ay kinabibilangan ng iba't ibang communication interfaces, tulad ng RS-232, RS-485, at Ethernet. Ang mga interface na ito ay nagse-seguro ng mabilis na transmisyon ng datos at kakayahan ng remote control.

Upang mapadali ang mga operator sa pag-monitor at pag-control ng sistema, ang host computer ay din equipped ng isang human-machine interaction interface, karaniwang binubuo ng LCD display screen at keyboard. Maaaring gamitin ng mga operator ang mga interface na ito upang tingnan ang estado ng sistema sa real-time.

(2) Insulation Detection Sensor

Upang tugunan ang mga pangangailangan ng renovation ng DC systems sa mga lumang power plants at substations, ang mga staff ay nilikha ng isang high-precision detachable insulation detection sensor. Ang sensor na ito, na gumagamit ng advanced electronic technologies at materials, ay may mataas na sensitibidad, stability, at mahabang serbisyo, at maaari itong mag-operate nang matatag kahit sa harsh environments.

Ang mataas na presisyon ay isang key performance indicator ng insulation detection sensor. Sa pamamagitan ng advanced detection algorithms at electronic components, ito ay maaaring tumpaking matukoy ang minute insulation changes, na nagse-seguro ng tumpak at oportunong impormasyon ng pagkakamali.

Sa pamamagitan ng pag-upgrade at renovation ng thermal insulation devices ng DC systems sa mga lumang power plants at substations at ang paggamit ng high-precision detachable insulation detection sensors, ang seguridad ng sistema ay maaaring mabigyan ng malaking pagsulong. Ang mga sensor na ito ay may kakayanan ng high-precision detection at maaaring maagang matukoy ang mga insulation faults, na nagse-seguro ng mabuting pag-iwas sa pagkakaroon ng mga aksidente.

(3) Early Warning Detection Module

Upang mapabuti ang tumpak at bilis ng early warnings, ang module na ito ay karaniwang naglalaman ng dual mechanism ng active early warning at passive early warning.

Ang active early warning ay tumutukoy sa proactive detection ng sistema ng mga electrical parameters. Kapag ang mga parameter ay lumayo sa normal na range, agad na maaaring mailabas ang early warning signal. Ang active early warning karaniwang umaasa sa high-performance sensors at data collection devices. Ang mga device na ito ay maaaring monitor ang mga key parameters tulad ng current, voltage, at frequency sa real-time at i-analyze ang relevant na datos sa pamamagitan ng built-in algorithms upang matukoy kung may potential na fault risks. Ang passive early warning, naman, ay kasama ang pag-analyze ng relevant na electrical parameters at paglabas ng early warning signal pagkatapos makuha ang external signals. Halimbawa, kapag ang relay protection device sa substation ay nag-operate, ang passive early warning module ay agad na maaaring maitaktak upang i-analyze ang sanhi ng operasyon at matukoy kung kinakailangan pa ng karagdagang pag-aaksiyon, tulad ng ipinapakita sa Figure 1.

Figure 1 Disenyo ng Hardware Structure

Sa disenyo ng hardware structure ng early - warning detection module, ang pagsasama ng active early - warning at passive early - warning ay maaaring malaking bumuti sa kakayahan ng sistema sa early - warning at response speed. Ang active early - warning ay maaaring monitor ang mga electrical parameters sa real - time at mabilis na matukoy ang potential na fault risks; samantalang ang passive early - warning ay maaaring mabilis na tumugon kapag may specific events at gumawa ng in - depth analysis ng mga sanhi ng pagkakamali.

Upang mabuti ang pagsasama ng dalawang early - warning methods na ito, ang mga sumusunod na key elements ay kailangang isaalang-alang sa disenyo ng hardware:

• Pagpili ng sensors at data collection devices: Dapat maging high - precision ang mga sensors at data collection devices upang matiyak ang tumpak na datos.

• Kakayahan sa data processing at analysis: Ang early - warning monitoring module ay dapat may mahusay na kakayahan sa data processing at analysis upang mabilis na matukoy ang abnormal na datos at gawin ang early - warning judgments.

• Communication interfaces at protocols: Ang module ay dapat sumuporta ng maraming communication interfaces at protocols upang mapadali ang data exchange sa iba pang mga sistema o devices.

• Reliability: Ang disenyo ng hardware ay dapat matiyak na maaaring mabuti ang module sa extreme environments at gamitin ang necessary na safety measures upang maiwasan ang misoperation at unauthorized access.

III. Software Design ng Sistema
(1) Simulation Modeling ng Fault Load Characteristics

Ang pinakamahalaga ng substation relay protection fault information detection system ay nasa disenyo ng software structure, lalo na sa pagbuo ng static at dynamic load models. Ang mga model na ito ay may layuning ilarawan ang aktibo at reaktibong lakas ng load sa panahon ng operasyon ng sistema, pati na rin ang mabagal na pagbabago ng voltage at frequency, at karaniwang inilalarawan gamit ang polynomial models. Ang static load model ay karaniwang inilalarawan bilang:

kung saan ang P at Q ay kumakatawan sa aktibo at reaktibong lakas, V ay ang voltage, P0, Q0, V0 ay ang mga halaga sa reference state, at n at m ay ang load characteristic coefficients.

Ang dynamic load model ay mas komplikado. Ito ay inuuri-uring ang dynamic response ng load sa pagbabago ng voltage at frequency, kabilang ang multiple time constants upang simula ang response speed ng load sa pagbabago ng voltage at frequency. Ang dynamic load model ay maaaring inilalarawan bilang isang serye ng differential equations na naglalarawan ng rate of change ng load power sa panahon.

Sa disenyo ng software structure, ang mga model na ito ay integradong sa relay protection fault information detection system upang monitor at i-analyze ang operasyon status ng substation sa real - time. Ang sistema ay kumukuha ng real - time data, kabilang ang current, voltage, power, at iba pa, at gumagamit ng mga model na ito para sa pag-compute upang siyentipikong matukoy ang potential na fault conditions.

(2) Collection ng Fault Information

Upang matiyak ang reliabilidad ng relay protection equipment, ang disenyo ng fault information detection system ay napakahalaga, lalo na ang bahagi ng fault information collection. Ang bahaging ito ay karaniwang nahahati sa tatlong module: steady - state information collection, transient information collection, at status file management.

Ang steady - state information collection module ay pangunahing responsable sa pag-collect ng mga electrical parameters ng substation sa normal na operasyon, tulad ng voltage, current, power, at iba pa. Ang mga data na ito ay ang pundamento para sa pag-evaluate ng operasyon status ng power grid at mahalaga rin para sa fault analysis at prediction. Ang module na ito ay karaniwang may tatlong sub-module: data collection, data processing, at data storage. Ang data collection sub-module ay kumukuha ng electrical parameters sa real - time sa pamamagitan ng interface sa substation monitoring system; ang data processing sub-module ay nagkokonduktor ng preliminary analysis sa collected data, tinatanggal ang abnormal values, at format ng data; ang data storage sub-module ay iminumura ang processed data sa isang database para sa susunod na analysis.

Ang transient information collection module ay nakatuon sa pag-capture ng transient events sa power grid, tulad ng short - circuits, open - circuits, at iba pang faults. Ang mga transient event na ito ay karaniwang kasama ng malubhang pagbabago sa electrical parameters, kaya kailangan ng high - speed at high - precision data collection equipment. Ang module na ito ay karaniwang may tatlong sub-module: high - speed data collection, transient event identification, at event data storage. Ang high - speed data collection sub-module ay maaaring irecord ang pagbabago ng electrical parameters sa microsecond - level resolution; ang transient event identification sub-module ay nag-judge kung may fault na nangyari at tumpaking matukoy ang klase ng fault ayon sa preset algorithms; ang event data storage sub-module ay iminumura ang natukoy na fault information sa isang partikular na database, na nakakatulong sa in - depth analysis ng mga staff.

Ang status file management module ay responsable sa pag-manage at maintenance ng status files ng substation relay protection equipment, at ito ay nagrerecord ng mahahalagang impormasyon tulad ng configuration details, operasyon status, at historical fault records ng protection equipment. Ito ay pangunahing may apat na sub-module: status file generation, update, query, at backup. Ang generation sub-module ay nag-generate ng initial status file ayon sa aktwal na configuration ng protection equipment; ang update sub-module ay nag-update ng status file kapag ang equipment parameters o configuration ay nagbago; ang query sub-module ay nagbibigay-daan sa mga user na mag-query ng impormasyon sa status file; ang backup sub-module ay regular na nag-backup ng status file upang maepektibong maiwasan ang data loss.

(3) Fault Information Detection

Kapag ang station control layer ay tumanggap ng alarm information "A - line merged network connection error" mula sa relay protection, ang sistema ay dapat agad na simulan ang fault information detection process upang matiyak kung ito ang tanging source, na kung ang iba pang mga device ay naglabas din ng similar na alarms. Sa halimbong ito, kung ang iba pang mga device ay hindi naglabas ng alarm, ang sistema ay tututok sa impormasyon ng "A - line merged network connection error".

Upang mabuti ang proseso at pag-analyze ng fault information, ang sistema ay nilikha ng limang kombinasyon ng virtual terminals at fault nodes, tulad ng ipinapakita sa Table 1.

Bawat virtual terminal ay responsable sa iba't ibang tungkulin, mula sa pag-monitor ng network connection status hanggang sa pagbibigay ng solusyon, na nagpapabuo ng buong fault handling process. Sa pamamagitan ng ito, ang substation relay protection fault information detection system ay maaaring mabuti ang pagtukoy ng fault information at matiyak ang ligtas na operasyon ng substation. Lalo na kapag tumanggap ng alarm ng "A - line merged network connection error", ang sistema ay maaaring mabilis na tumugon at gumawa ng corresponding na hakbang upang mabawasan ang epekto ng fault sa power system.

IV. Experimental Verification
(1) Network Topology Structure

Ang network topology structure design ng relay protection fault information detection system para sa 500 kV substation na ipinatatakbo noong 2023 ay nagsunod sa core principles ng mataas na reliability, availability, at easy maintenance. Ang sistema na ito ay gumagamit ng hierarchical at distributed network architecture, at ang implementation steps nito ay well - organized, na pangunahing kasama ang mga sumusunod na links.

• Data collection: Sa pamamagitan ng sensors at data collection devices na nakainstalla sa iba't ibang key nodes ng substation, ang operation data ng relay protection devices ay kumukuha ng real - time.

• Data transmission: Gamit ang network communication technology, ang collected data ay inililipat nang maagap at tumpak sa data processing center.

• Data analysis: Sa data processing center, ang high - performance computers at professional analysis software ay ginagamit upang i-analyze ang data, matukoy ang abnormal patterns at potential faults.

• Fault diagnosis: Kapag natukoy ang anomaly, ang sistema ay awtomatikong nag-conduct ng fault diagnosis upang matukoy ang uri at lokasyon ng fault.

• Alarm at response: Ang sistema ay nag-uulat sa operation at maintenance personnel ng fault information sa pamamagitan ng alarm system at nagbibigay ng preliminary fault handling suggestions.

• Fault handling: Ang operation at maintenance personnel ay maaaring mabilis na gumawa ng mga hakbang upang i-handle ang fault ayon sa fault information at suggestions na ibinigay ng sistema, na nagse-seguro ng stable na operasyon ng power grid.

(2) Experimental Results at Analysis

Dalawang detection system ang ginamit sa eksperimento: isa ay ang conventional substation relay protection secondary circuit on - line detection system batay sa SCD file, at ang isa pa ay ang substation relay protection fault information detection system batay sa spatio - temporal analysis. Parehong sistema ay in-test sa parehong substation environment upang matiyak ang comparability ng resulta [8].

Ang experimental data ay nagpapakita na ang maximum insulation voltages ng positive at negative busbars na in-measure ng detection system batay sa SCD file ay 192.1 V at 191.4 V, samantalang ang kaukulang halaga na in-measure ng detection system batay sa spatio - temporal analysis ay 190.3 V at 210.23 V. Ang specific data ay ipinapakita sa Table 2.

Mula sa mga resulta ng eksperimento, makikita na ang detection system batay sa spatio - temporal analysis ay may kaunti na mas mababang maximum insulation voltage value para sa positive busbar kumpara sa detection system batay sa SCD file, ngunit kaunti na mas mataas na value para sa negative busbar. Ito ay nagpapakita na ang detection system batay sa spatio - temporal analysis ay maaaring magbigay ng mas tumpak na measurement results sa ilang sitwasyon. Gayunpaman, ang pagkakaiba na ito ay hindi mahalaga. Kaya, upang mas malalim na maintindihan ang performance differences ng dalawang sistema, maaaring kinakailangan ng karagdagang koleksyon at pag-analyze ng malaking dami ng experimental data.

V. Conclusion

Ang bagong substation relay protection fault information detection system na idinisenyo at sinuri sa papel na ito ay maaaring monitor ang working status ng relay protection devices sa real - time, awtomatikong i-analyze at i-diagnose ang fault information, at mabilis na ilipat ang fault information sa operation at maintenance personnel sa pamamagitan ng network communication technology. Ito ay nagbibigay-daan sa kanila na mabilis na gumawa ng mga hakbang upang maiwasan ang paglaki ng faults at matiyak ang ligtas at matatag na operasyon ng sistema ng kuryente.