O deseño do sistema de detección de información de fallos na protección por relés da subestación
I. Introdución
Nos últimos anos, coa expansión continua da escala da rede eléctrica, as subestacións, como nodos cruciais no sistema de enerxía, xogan un papel vital na garantía da fiabilidade da rede eléctrica en seu conxunto mediante a súa operación segura e estable. A protección por relés actúa como a primeira liña de defensa para a operación segura das subestacións. A precisión e rapidez da protección por relés están directamente relacionadas coa estabilidade do sistema de enerxía. Polo tanto, detectar eficazmente a información de fallos do sistema de protección por relés das subestacións, identificar e abordar oportunamente os posibles fallos, son de gran importancia para salvaguardar a operación segura do sistema de enerxía.
Os métodos tradicionais para detectar fallos na protección por relés dependen principalmente de inspeccións manuais e mantemento regular. Estes métodos non só son laboriosos e consumentes de tempo, senón que tamén non poden lograr unha monitorización en tempo real. Como resultado, é probable que se perdan as señales iniciais de fallos. Con o desenvolvemento continuo da tecnoloxía da información, especialmente os avances na tecnoloxía informática e de comunicación, os sistemas modernos de detección de información de fallos na protección por relés das subestacións comezan a adoptar métodos automatizados. A través da recollida de datos en tempo real, estes sistemas poden lograr unha monitorización en tempo real do estado da protección por relés e localizar rapidamente os fallos.
Polo tanto, este artigo propón un sistema de detección de información de fallos na protección por relés das subestacións baseado na tecnoloxía de información moderna e explica detalladamente a súa estrutura de hardware, o deseño de software e os resultados experimentais.
II. Deseño da Estrutura de Hardware do Sistema
(1) Computador Central
O deseño do computador central afecta directamente ao rendemento de todo o sistema. A súa estrutura de hardware emprega o microcontrolador C8051F040 como procesador central. O microcontrolador C8051F040 é un microcontrolador de alto rendemento e baixo consumo de enerxía que integra abundantes recursos periféricos, incluíndo portos I/O analóxicos e dixitais, temporizadores/contadores, UART, SPI e interfaces de comunicación I2C, entre outros. Estas características fan que o C8051F040 sexa altamente adecuado como procesador central do computador central, capaz de satisfacer as necesidades de procesamento de datos de alta velocidade e lóxica de control complexa.
Para garantir a capacidade de monitorización en tempo real do sistema, emprega-se unha unidade de monitorización de alto rendemento no deseño do computador central. Esta unidade inclúe xeralmente un ADC (Conversor Analógico-Dixital) de alta velocidade, un DAC (Conversor Dixital-Analógico), así como circuitos de monitorización de tensión e corrente. Pode recoller e converter parámetros eléctricos en tempo real, proporcionando soporte de datos preciso para o diagnóstico de fallos.
Ao mesmo tempo, o computador central necesita comunicarse co ordenador inferior e co centro de monitorización remoto. O deseño incorpora varias interfaces de comunicación, como RS-232, RS-485 e Ethernet. Estas interfaces aseguran a transmisión rápida de datos e a capacidade de control remoto.
Para facilitar aos operadores a monitorización e control do sistema, o computador central tamén está equipado cunha interface de interacción humano-máquina, xeralmente composta por unha pantalla LCD e un teclado. Os operadores poden usar estas interfaces para ver o estado do sistema en tempo real.
(2) Sensor de Detección de Aislamento
Para cumprir coas necesidades de renovación dos sistemas DC en centrais eléctricas e subestacións antigos, o persoal diseñou un sensor de detección de aislamento de alta precisión desmontable. Adoptando tecnoloxías electrónicas e materiais avanzados, este sensor caracterízase por unha alta sensibilidade, estabilidade e longa vida útil, e pode operar de forma estable incluso en entornos adversos.
A alta precisión é un indicador clave de rendemento do sensor de detección de aislamento. Utilizando algoritmos de detección avanzados e componentes electrónicos, pode detectar con precisión cambios minúsculos no aislamento, asegurando a exactitude e a tempestividade da información de fallos.
Ao actualizar e renovar os dispositivos de aislamento térmico dos sistemas DC en centrais eléctricas e subestacións antigos e empregar sensores de detección de aislamento de alta precisión desmontables, a seguridade do sistema pode ser significativamente mellorada. Estes sensores teñen a capacidade de detección de alta precisión e poden detectar rapidamente fallos de aislamento, evitando así eficazmente a ocorrencia de accidentes.
(3) Módulo de Detección de Alerta Precoz
Para mellorar a precisión e a velocidade de resposta das alertas precozas, este módulo xeralmente integra un mecanismo dual de alerta precoz activa e pasiva.
A alerta precoz activa refírese á detección proactiva de parámetros eléctricos polo sistema. Unha vez que os parámetros se desvían do rango normal, unha señal de alerta será inmediatamente activada. A alerta precoz activa xeralmente depende de sensores e dispositivos de recollida de datos de alto rendemento. Estes dispositivos poden monitorizar en tempo real parámetros clave como corrente, tensión e frecuencia, e analizar os datos relevantes a través de algoritmos integrados para determinar se hai riscos potenciais de fallos. Por outro lado, a alerta precoz pasiva implica o análise de parámetros eléctricos relevantes e a emisión dunha señal de alerta após que o sistema reciba sinais externos. Por exemplo, cando o dispositivo de protección por relés na subestación opera, o módulo de alerta precoz pasiva será activado inmediatamente para analizar a causa da operación e determinar se son necesarias medidas de procesamento adicionais, como se mostra na Figura 1.
Figura 1 Deseño da Estrutura de Hardware
No deseño da estrutura de hardware do módulo de detección de alerta precoz, combinar a alerta precoz activa e a pasiva pode mellorar significativamente a capacidade de alerta precoz e a velocidade de resposta do sistema. A alerta precoz activa pode monitorizar parámetros eléctricos en tempo real e identificar rapidamente riscos potenciais de fallos; mentres que a alerta precoz pasiva pode reaccionar rapidamente cando ocorran eventos específicos e realizar unha análise en profundidade das causas dos fallos.
Para combinar eficazmente estes dous métodos de alerta precoz, os seguintes elementos clave deben considerarse no deseño de hardware:
Selección de sensores e dispositivos de recollida de datos: Deben seleccionarse sensores e dispositivos de recollida de datos de alta precisión para asegurar a exactitude dos datos.
Capacidades de procesamento e análise de datos: O módulo de monitorización de alerta precoz debe ter poderosas capacidades de procesamento e análise de datos para identificar rapidamente datos anómalos e facer xuízos de alerta precoz.
Interfaces de comunicación e protocolos: O módulo debe admitir múltiples interfaces de comunicación e protocolos para facilitar o intercambio de datos con outros sistemas ou dispositivos.
Fiabilidade: O deseño de hardware debe asegurar que o módulo poida operar de forma estable en entornos extremos e adoptar medidas de seguridade necesarias para prevenir a operación incorrecta e o acceso non autorizado.
III. Deseño de Software do Sistema
(1) Modelización Simulada das Características de Carga de Fallos
O núcleo do sistema de detección de información de fallos na protección por relés das subestacións atópase no seu deseño de estrutura de software, especialmente na construción de modelos de carga estática e dinámica. Estes modelos buscan describir a potencia activa e reactiva da carga durante a operación do sistema, así como as mudanzas lentas na tensión e na frecuencia, e xeralmente exprésanse usando modelos polinómicos. O modelo de carga estática xeralmente exprésase como:
onde P e Q representan a potencia activa e reactiva respectivamente, V é a tensión, P0, Q0, V0son os valores no estado de referencia, e n e m son os coeficientes de características de carga.
O modelo de carga dinámica é relativamente complexo. Ten en conta a resposta dinámica da carga a cambios na tensión e na frecuencia, incluíndo múltiples constantes de tempo para simular a velocidade de resposta da carga a cambios na tensión e na frecuencia. O modelo de carga dinámica pode exprésarse como unha serie de ecuacións diferenciais que describen a taxa de cambio da potencia de carga ao longo do tempo.
No deseño de estrutura de software, estes modelos están integrados no sistema de detección de información de fallos na protección por relés para monitorizar e analizar o estado de operación da subestación en tempo real. O sistema recolle datos en tempo real, incluíndo corrente, tensión, potencia, etc., e usa estes modelos para cálculos para identificar científicamente condicións de fallos potenciais.
(2) Recollida de Información de Fallos
Para asegurar a fiabilidade do equipo de protección por relés, o deseño do sistema de detección de información de fallos é particularmente importante, especialmente a parte de recollida de información de fallos. Esta parte xeralmente divideuse en tres módulos: recollida de información en estado estable, recollida de información transitoria e xestión de ficheiros de estado.
O módulo de recollida de información en estado estable é principalmente responsable de recoller os parámetros eléctricos da subestación durante a operación normal, como tensión, corrente, potencia, etc. Estes datos son a base para avaliar o estado de operación da rede eléctrica e tamén son importantes para o análise e a predicción de fallos. Este módulo xeralmente inclúe tres submódulos: recollida de datos, procesamento de datos e almacenamento de datos. O submódulo de recollida de datos obtén parámetros eléctricos en tempo real a través da interface co sistema de monitorización da subestación; o submódulo de procesamento de datos realiza unha análise preliminar dos datos recollidos, elimina valores anómalos e formatea os datos; o submódulo de almacenamento de datos almacena os datos procesados nunha base de datos para análise posterior.
O módulo de recollida de información transitoria centrase en capturar eventos transitorios na rede eléctrica, como curtos-circuitos, cortocircuitos e outros fallos. Estes eventos transitorios xeralmente van acompañados de cambios bruscos nos parámetros eléctricos, polo que é necesario dispor de equipos de recollida de datos de alta velocidade e alta precisión. Este módulo xeralmente inclúe tres submódulos: recollida de datos de alta velocidade, identificación de eventos transitorios e almacenamento de datos de eventos. O submódulo de recollida de datos de alta velocidade pode rexistrar os cambios nos parámetros eléctricos con resolución de microsegundos; o submódulo de identificación de eventos transitorios xudga se ocorreu un fallo e identifica correctamente o tipo de fallo segundo algoritmos predefinidos; o submódulo de almacenamento de datos de eventos almacena a información de fallos identificada nunha base de datos específica, o que é conveniente para o análisis en profundidade polo persoal.
O módulo de xestión de ficheiros de estado é responsable da xestión e mantemento dos ficheiros de estado do equipo de protección por relés da subestación, e regista en detalle información clave como os detalles de configuración, o estado de operación e os rexistros históricos de fallos do equipo de protección. Xeralmente inclúe catro submódulos: xeración de ficheiros de estado, actualización, consulta e copia de seguridade. O submódulo de xeración xera un ficheiro de estado inicial segundo a configuración real do equipo de protección; o submódulo de actualización actualiza o ficheiro de estado cando cambien os parámetros ou a configuración do equipo; o submódulo de consulta permite aos usuarios consultar a información no ficheiro de estado; o submódulo de copia de seguridade realiza copias de seguridade regulares do ficheiro de estado para evitar eficazmente a perda de datos.
(3) Detección de Información de Fallos
Cando a capa de control de estación recibe a información de alarma "Erro de conexión de rede combinada da liña A" da protección por relés, o sistema debe iniciar inmediatamente o proceso de detección de información de fallos para confirmar se esta alarma é a única fonte, é dicir, se outros dispositivos tamén emitiron alarmas similares. Neste exemplo, se outros dispositivos non emiten alarmas, o sistema centraráse na información de "Erro de conexión de rede combinada da liña A".
Para procesar e analizar a información de fallos de forma máis eficaz, o sistema diseña cinco combinacións de terminais virtuais e nodos de fallos, como se mostra na Táboa 1.
Cada terminal virtual é responsable de diferentes tarefas, desde monitorizar o estado de conexión da rede ata proporcionar solucións, formando un proceso completo de manejo de fallos. A través do deseño de estrutura de software mencionado, o sistema de detección de información de fallos na protección por relés das subestacións pode detectar eficazmente a información de fallos e asegurar a operación segura da subestación. Especialmente ao recibir a alarma de "Erro de conexión de rede combinada da liña A", o sistema pode responder rapidamente e tomar medidas correspondentes para minimizar o impacto do fallo no sistema de enerxía.
IV. Verificación Experimental
(1) Estructura Topolóxica da Rede
O deseño da estructura topolóxica da rede do sistema de detección de información de fallos na protección por relés para a subestación de 500 kV posta en marcha en 2023 adérase estritamente aos principios centrais de alta fiabilidade, alta disponibilidade e facilidade de mantemento. Este sistema adopta unha arquitectura de rede jerárquica e distribuída, e os seus pasos de implementación están ben organizados, incluíndo principalmente os seguintes vínculos.
Recollida de datos: A través de sensores e dispositivos de recollida de datos instalados en diversos nodos clave da subestación, recollen-se en tempo real os datos de operación dos dispositivos de protección por relés.
Transmisión de datos: Usando tecnoloxía de comunicación de rede, os datos recollidos transmiten-se de xeito oportuno e exacto ao centro de procesamento de datos.
Análise de datos: No centro de procesamento de datos, úsanse ordenadores de alto rendemento e software de análise profesional para analizar os datos, identificar patróns anómalos e fallos potenciais.
Diagnóstico de fallos: Unha vez detectada unha anomalia, o sistema realiza automaticamente un diagnóstico de fallos para determinar o tipo e a localización do fallo.
Alarma e resposta: O sistema notifica ao persoal de operación e mantemento a información de fallos a través do sistema de alarma e ofrece suxestións iniciais de manejo de fallos.
Manexo de fallos: O persoal de operación e mantemento pode tomar rapidamente medidas para manexar o fallo segundo a información de fallos e as suxestións proporcionadas polo sistema, asegurando así a operación estable da rede eléctrica.
(2) Resultados Experimentais e Análise
Usáronse dous sistemas de detección no experimento: un é o sistema convencional de detección en liña do circuito secundario de protección por relés de subestación baseado no ficheiro SCD, e o outro é o sistema de detección de información de fallos na protección por relés de subestación baseado na análise espazo-temporal. Ambos os sistemas foron probados no mesmo entorno de subestación para asegurar a comparabilidade dos resultados [8].
Os datos experimentais mostran que as tensións de aislamento máximas medias nas barras positivas e negativas medida polo sistema de detección baseado no ficheiro SCD son 192.1 V e 191.4 V respectivamente, mentres que os valores correspondentes medidos polo sistema de detección baseado na análise espazo-temporal son 190.3 V e 210.23 V respectivamente. Os datos específicos amósanse na Táboa 2.
A partir dos resultados experimentais, pódese observar que o sistema de detección baseado na análise espazo-temporal ten un valor ligeramente menor de tensión de aislamento máxima para a barra positiva en comparación co sistema de detección baseado no ficheiro SCD, pero un valor ligeramente maior para a barra negativa. Isto indica que o sistema de detección baseado na análise espazo-temporal pode proporcionar resultados de medida máis precisos en certas situacións. Sinembargo, esta diferenza non é significativa. Polo tanto, para obter unha comprensión máis profunda das diferenzas de rendemento entre estes dous sistemas, pode ser necesario recoller e analizar unha cantidade significativa de datos experimentais adicionais.
V. Conclusión
O novo sistema de detección de información de fallos na protección por relés de subestación deseñado e estudado neste artigo pode monitorizar o estado de funcionamento dos dispositivos de protección por relés en tempo real, analizar e diagnosticar automáticamente a información de fallos, e transmitir oportunamente a información de fallos ao persoal de operación e mantemento a través da tecnoloxía de comunicación de rede. Isto permite que tomen medidas oportunas para prevenir a expansión dos fallos e asegurar a operación segura e estable do sistema de enerxía.
