La Conception du Système de Détection des Informations sur les Défauts de Protection Relais dans les Sous-stations
I. Introduction
Au cours des dernières années, avec l'expansion continue de la taille du réseau électrique, les postes électriques, en tant que nœuds cruciaux du système d'alimentation, jouent un rôle vital dans la garantie de la fiabilité du réseau électrique grâce à leur fonctionnement sûr et stable. La protection par relais sert de première ligne de défense pour le fonctionnement sûr des postes électriques. La précision et la rapidité de la protection par relais sont directement liées à la stabilité du système d'alimentation. Par conséquent, la détection efficace des informations de panne du système de protection par relais des postes électriques, l'identification et la résolution rapides des pannes potentielles, sont d'une grande importance pour assurer le fonctionnement sûr du système d'alimentation.
Les méthodes traditionnelles de détection des pannes de protection par relais reposent principalement sur des inspections manuelles et des maintenances régulières. Ces méthodes non seulement prennent beaucoup de temps et nécessitent beaucoup de main-d'œuvre, mais elles ne permettent pas non plus une surveillance en temps réel. En conséquence, elles sont susceptibles de manquer les signaux précurseurs des pannes. Avec le développement continu des technologies de l'information, en particulier les avancées en technologie informatique et en communication, les systèmes modernes de détection des informations de panne de protection par relais des postes électriques ont commencé à adopter des méthodes automatisées. Grâce à la collecte de données en temps réel, ces systèmes peuvent réaliser une surveillance en temps réel de l'état de la protection par relais et localiser rapidement les pannes.
Par conséquent, cet article propose un système de détection des informations de panne de protection par relais des postes électriques basé sur les technologies d'information modernes et détaille son architecture matérielle, sa conception logicielle et ses résultats expérimentaux.
II. Conception de la structure matérielle du système
(1) Ordinateur hôte
La conception de l'ordinateur hôte affecte directement les performances du système dans son ensemble. Sa structure matérielle utilise le microcontrôleur C8051F040 comme processeur central. Le microcontrôleur C8051F040 est un microcontrôleur mixte haute performance et faible consommation qui intègre de nombreuses ressources périphériques, y compris des ports E/S analogiques et numériques, des temporisateurs/compteurs, des interfaces de communication UART, SPI et I2C, entre autres. Ces caractéristiques rendent le C8051F040 hautement adapté en tant que processeur central de l'ordinateur hôte, capable de répondre aux exigences de traitement de données à haute vitesse et de logique de contrôle complexe.
Pour assurer la capacité de surveillance en temps réel du système, une unité de surveillance haute performance est utilisée dans la conception de l'ordinateur hôte. Cette unité comprend généralement un convertisseur analogique-numérique (ADC) à haute vitesse, un convertisseur numérique-analogique (DAC), ainsi que des circuits de surveillance de tension et de courant. Elle peut collecter et convertir en temps réel les paramètres électriques, fournissant un support de données précis pour le diagnostic de pannes.
De plus, l'ordinateur hôte doit communiquer avec l'ordinateur inférieur et le centre de surveillance à distance. La conception intègre diverses interfaces de communication, telles que RS-232, RS-485 et Ethernet. Ces interfaces assurent la transmission rapide des données et la possibilité de contrôle à distance.
Pour faciliter la surveillance et le contrôle du système par les opérateurs, l'ordinateur hôte est également équipé d'une interface homme-machine, généralement composée d'un écran LCD et d'un clavier. Les opérateurs peuvent utiliser ces interfaces pour visualiser en temps réel l'état du système.
(2) Capteur de détection d'isolation
Pour répondre aux exigences de rénovation des systèmes DC dans les anciennes centrales électriques et les postes électriques, le personnel a conçu un capteur de détection d'isolation haute précision détachable. Utilisant des technologies et matériaux électroniques avancés, ce capteur présente une sensibilité élevée, une grande stabilité et une longue durée de vie, et il peut fonctionner de manière stable même dans des environnements difficiles.
La haute précision est un indicateur clé de performance du capteur de détection d'isolation. En utilisant des algorithmes de détection avancés et des composants électroniques, il peut détecter avec précision les changements minimes d'isolation, assurant l'exactitude et la ponctualité des informations de panne.
En mettant à niveau et en rénovant les dispositifs d'isolation thermique des systèmes DC dans les anciennes centrales électriques et les postes électriques, et en utilisant des capteurs de détection d'isolation haute précision détachables, la sécurité du système peut être considérablement améliorée. Ces capteurs ont la capacité de détecter avec précision et peuvent détecter rapidement les pannes d'isolation, empêchant ainsi efficacement la survenue d'accidents.
(3) Module de détection d'alerte précoce
Pour améliorer la précision et la rapidité de réponse des alertes, ce module intègre généralement un mécanisme double d'alerte précoce active et passive.
L'alerte précoce active fait référence à la détection proactive par le système des paramètres électriques. Dès que les paramètres s'écartent de la plage normale, un signal d'alerte est immédiatement déclenché. L'alerte précoce active repose généralement sur des capteurs et des dispositifs de collecte de données haute performance. Ces dispositifs peuvent surveiller en temps réel des paramètres clés tels que le courant, la tension et la fréquence, et analyser les données pertinentes via des algorithmes intégrés pour déterminer s'il existe des risques de pannes potentiels. L'alerte précoce passive, quant à elle, consiste à analyser les paramètres électriques pertinents et à émettre un signal d'alerte après que le système a reçu des signaux externes. Par exemple, lorsque le dispositif de protection par relais dans le poste électrique se met en marche, le module d'alerte précoce passive est activé immédiatement pour analyser la cause de l'opération et déterminer si des mesures de traitement supplémentaires sont nécessaires, comme illustré à la Figure 1.
Figure 1 Conception de la structure matérielle
Dans la conception de la structure matérielle du module de détection d'alerte précoce, la combinaison de l'alerte précoce active et passive peut considérablement améliorer la capacité d'alerte précoce et la rapidité de réponse du système. L'alerte précoce active peut surveiller en temps réel les paramètres électriques et identifier rapidement les risques de pannes potentiels ; tandis que l'alerte précoce passive peut réagir promptement lors de l'occurrence d'événements spécifiques et effectuer une analyse approfondie des causes des pannes.
Pour combiner efficacement ces deux méthodes d'alerte précoce, les éléments clés suivants doivent être pris en compte dans la conception matérielle :
Sélection des capteurs et des dispositifs de collecte de données : Il faut choisir des capteurs et des dispositifs de collecte de données de haute précision pour assurer l'exactitude des données.
Capacités de traitement et d'analyse des données : Le module de surveillance d'alerte précoce doit disposer de puissantes capacités de traitement et d'analyse des données pour identifier rapidement les données anormales et prendre des décisions d'alerte précoce.
Interfaces de communication et protocoles : Le module doit prendre en charge plusieurs interfaces de communication et protocoles pour faciliter l'échange de données avec d'autres systèmes ou dispositifs.
Fiabilité : La conception matérielle doit garantir que le module puisse fonctionner de manière stable dans des environnements extrêmes et adopter des mesures de sécurité nécessaires pour prévenir les dysfonctionnements et les accès non autorisés.
III. Conception logicielle du système
(1) Modélisation de simulation des caractéristiques de charge de panne
Le cœur du système de détection des informations de panne de protection par relais des postes électriques réside dans sa conception logicielle, en particulier la construction de modèles de charge statique et dynamique. Ces modèles visent à décrire la puissance active et réactive de la charge pendant le fonctionnement du système, ainsi que les variations lentes de la tension et de la fréquence, et sont généralement exprimés par des modèles polynomiaux. Le modèle de charge statique est généralement exprimé comme suit :
où P et Q représentent respectivement la puissance active et réactive, V est la tension, P0, Q0, V0 sont les valeurs dans l'état de référence, et n et m sont les coefficients de caractéristiques de charge.
Le modèle de charge dynamique est relativement complexe. Il prend en compte la réponse dynamique de la charge aux variations de tension et de fréquence, incluant plusieurs constantes de temps pour simuler la vitesse de réponse de la charge aux variations de tension et de fréquence. Le modèle de charge dynamique peut être exprimé par une série d'équations différentielles qui décrivent la vitesse de variation de la puissance de charge au fil du temps.
Dans la conception logicielle, ces modèles sont intégrés dans le système de détection des informations de panne de protection par relais pour surveiller et analyser en temps réel l'état de fonctionnement du poste électrique. Le système collecte des données en temps réel, y compris le courant, la tension, la puissance, etc., et utilise ces modèles pour effectuer des calculs afin d'identifier scientifiquement les conditions de panne potentielles.
(2) Collecte d'informations de panne
Pour assurer la fiabilité des équipements de protection par relais, la conception du système de détection des informations de panne est d'une importance particulière, en particulier la partie de collecte des informations de panne. Cette partie est généralement divisée en trois modules : collecte d'informations en état stable, collecte d'informations transitoires et gestion des fichiers d'état.
Le module de collecte d'informations en état stable est principalement responsable de la collecte des paramètres électriques du poste électrique pendant le fonctionnement normal, tels que la tension, le courant, la puissance, etc. Ces données constituent la base pour évaluer l'état de fonctionnement du réseau électrique et sont également importantes pour l'analyse et la prédiction des pannes. Ce module comprend généralement trois sous-modules : collecte de données, traitement de données et stockage de données. Le sous-module de collecte de données obtient les paramètres électriques en temps réel via l'interface avec le système de surveillance du poste électrique ; le sous-module de traitement de données effectue une analyse préliminaire des données collectées, élimine les valeurs anormales et formate les données ; le sous-module de stockage de données stocke les données traitées dans une base de données pour une analyse ultérieure.
Le module de collecte d'informations transitoires se concentre sur la capture d'événements transitoires dans le réseau électrique, tels que les courts-circuits, les ouvertures de circuit et autres pannes. Ces événements transitoires sont souvent accompagnés de changements brusques des paramètres électriques, il est donc nécessaire d'utiliser des équipements de collecte de données à haute vitesse et haute précision. Ce module comprend généralement trois sous-modules : collecte de données à haute vitesse, identification d'événements transitoires et stockage de données d'événements. Le sous-module de collecte de données à haute vitesse peut enregistrer les changements des paramètres électriques avec une résolution de l'ordre du microseconde ; le sous-module d'identification d'événements transitoires juge s'il y a eu une panne et identifie précisément le type de panne selon des algorithmes prédéfinis ; le sous-module de stockage de données d'événements stocke les informations de panne identifiées dans une base de données spécifique, ce qui est propice à une analyse approfondie par le personnel.
Le module de gestion des fichiers d'état est responsable de la gestion et de la maintenance des fichiers d'état des équipements de protection par relais du poste électrique, et il enregistre en détail des informations clés telles que les détails de configuration, l'état de fonctionnement et les historiques de pannes des équipements de protection. Il comprend principalement quatre sous-modules : génération de fichiers d'état, mise à jour, requête et sauvegarde. Le sous-module de génération génère un fichier d'état initial en fonction de la configuration réelle des équipements de protection ; le sous-module de mise à jour met à jour le fichier d'état lorsque les paramètres ou la configuration des équipements changent ; le sous-module de requête permet aux utilisateurs de consulter les informations du fichier d'état ; le sous-module de sauvegarde effectue régulièrement une sauvegarde du fichier d'état pour éviter efficacement la perte de données.
(3) Détection des informations de panne
Lorsque la couche de contrôle de station reçoit l'information d'alarme "erreur de connexion réseau fusionné A-ligne" de la protection par relais, le système doit immédiatement démarrer le processus de détection des informations de panne pour confirmer si cette alarme est la seule source, c'est-à-dire si d'autres appareils ont également émis des alarmes similaires. Dans cet exemple, si d'autres appareils n'émettent pas d'alarmes, le système se concentrera sur l'information "erreur de connexion réseau fusionné A-ligne".
Pour traiter et analyser plus efficacement les informations de panne, le système conçoit cinq combinaisons de terminaux virtuels et de nœuds de panne, comme indiqué dans le Tableau 1.
Chaque terminal virtuel est chargé de différentes tâches, allant de la surveillance de l'état de la connexion réseau à la fourniture de solutions, formant ainsi un processus complet de gestion des pannes. Grâce à la conception logicielle ci-dessus, le système de détection des informations de panne de protection par relais du poste électrique peut détecter efficacement les informations de panne et assurer le fonctionnement sûr du poste électrique. En particulier, lors de la réception de l'alarme "erreur de connexion réseau fusionné A-ligne", le système peut réagir rapidement et prendre des mesures appropriées pour minimiser l'impact de la panne sur le système d'alimentation.
IV. Vérification expérimentale
(1) Structure de topologie réseau
La conception de la structure de topologie réseau du système de détection des informations de panne de protection par relais pour le poste électrique de 500 kV mis en service en 2023 respecte strictement les principes fondamentaux de haute fiabilité, haute disponibilité et facilité de maintenance. Ce système adopte une architecture réseau hiérarchisée et distribuée, et ses étapes d'implémentation sont bien organisées, comprenant principalement les liens suivants.
Collecte de données : Grâce aux capteurs et aux dispositifs de collecte de données installés aux différents nœuds clés du poste électrique, les données de fonctionnement des dispositifs de protection par relais sont collectées en temps réel.
Transmission de données : En utilisant la technologie de communication réseau, les données collectées sont transmises de manière ponctuelle et précise au centre de traitement des données.
Analyse des données : Dans le centre de traitement des données, des ordinateurs haute performance et des logiciels d'analyse professionnels sont utilisés pour analyser les données, identifier les modèles anormaux et les pannes potentielles.
Diagnostic de panne : Dès qu'une anomalie est détectée, le système effectue automatiquement un diagnostic de panne pour déterminer le type et l'emplacement de la panne.
Alarme et réponse : Le système informe le personnel d'exploitation et de maintenance des informations de panne via le système d'alarme et fournit des suggestions préliminaires de traitement de la panne.
Traitement de la panne : Le personnel d'exploitation et de maintenance peut rapidement prendre des mesures pour traiter la panne en fonction des informations de panne et des suggestions fournies par le système, assurant ainsi le fonctionnement stable du réseau électrique.
(2) Résultats et analyse expérimentaux
Deux systèmes de détection ont été utilisés dans l'expérience : l'un est le système de détection en ligne conventionnel du circuit secondaire de protection par relais des postes électriques basé sur le fichier SCD, et l'autre est le système de détection des informations de panne de protection par relais des postes électriques basé sur l'analyse spatio-temporelle. Les deux systèmes ont été testés dans le même environnement de poste électrique pour assurer la comparabilité des résultats [8].
Les données expérimentales montrent que les tensions d'isolement maximales des barres positives et négatives mesurées par le système de détection basé sur le fichier SCD sont respectivement de 192,1 V et 191,4 V, tandis que les valeurs correspondantes mesurées par le système de détection basé sur l'analyse spatio-temporelle sont respectivement de 190,3 V et 210,23 V. Les données spécifiques sont présentées dans le Tableau 2.
D'après les résultats expérimentaux, on constate que le système de détection basé sur l'analyse spatio-temporelle a une valeur légèrement inférieure de la tension d'isolement maximale pour la barre positive par rapport au système de détection basé sur le fichier SCD, mais une valeur légèrement supérieure pour la barre négative. Cela indique que le système de détection basé sur l'analyse spatio-temporelle peut fournir des résultats de mesure plus précis dans certaines situations. Cependant, cette différence n'est pas significative. Par conséquent, pour avoir une compréhension plus approfondie des différences de performance entre ces deux systèmes, il peut être nécessaire de recueillir et d'analyser une grande quantité de données expérimentales supplémentaires.
V. Conclusion
Le nouveau système de détection des informations de panne de protection par relais des postes électriques conçu et étudié dans cet article peut surveiller en temps réel l'état de fonctionnement des dispositifs de protection par relais, analyser et diagnostiquer automatiquement les informations de panne, et transmettre rapidement ces informations de panne au personnel d'exploitation et de maintenance via la technologie de communication réseau. Cela leur permet de prendre des mesures rapides pour prévenir l'extension des pannes et assurer le fonctionnement sûr et stable du système d'alimentation.
