Dizajn sustava za otkrivanje informacija o greškama u relé zastiti podstanice

I. Uvod

U posljednjih nekoliko godina, s kontinuiranim proširenjem mreže električne energije, podstacione, kao ključni čvorovi u sustavu snabdijevanja električnom energijom, odigraju vitalnu ulogu u osiguravanju pouzdanosti cijele mreže kroz svoju sigurnu i stabilnu operaciju. Reljefna zaštita služi kao prva linija obrane za sigurnu operaciju podstacija. Točnost i brzina reljefne zaštite direktno su povezane s stabilnošću sustava snabdijevanja električnom energijom. Stoga je učinkovito otkrivanje informacija o greškama sustava reljefne zaštite podstacija, pravo vrijeme prepoznavanje i rješavanje potencijalnih grešaka, izuzetno važno za zaštitu sigurne operacije sustava snabdijevanja električnom energijom.

Tradicionalne metode otkrivanja grešaka reljefne zaštite uglavnom se oslanjaju na ručne pregledi i redoviti održavajući rad. Ove metode nisu samo vremenski i ljudskim resursima zahtjevne, već također ne mogu postići stvarno-vremenovu nadzor. Također su podložne propustanju ranjih signala grešaka. S kontinuiranim razvojem informacijske tehnologije, posebno napretkom računalne tehnologije i komunikacijske tehnologije, moderni sustavi otkrivanja informacija o greškama reljefne zaštite u podstacionama počeli su koristiti automatizirane metode. Kroz prikupljanje podataka u stvarno-vremenom, ti sustavi mogu postići stvarno-vremenovu nadzor stanja reljefne zaštite i brzo lokirati greške.

Stoga ovaj rad predlaže sustav otkrivanja informacija o greškama reljefne zaštite podstacija temeljen na modernoj informacijskoj tehnologiji i detaljno elaborira njegovu hardversku strukturu, softverski dizajn i eksperimentalne rezultate.

II. Dizajn hardverske strukture sustava
(1) Glavni računalo

Dizajn glavnog računala izravno utječe na performanse cijelog sustava. Njegova hardverska struktura koristi jednocrveno mikro računalo C8051F040 kao centralni procesor. Jednocrveno mikro računalo C8051F040 je visokoperformantni i niskopotrošni mikrokontroler koji integriše obilje perifernih resursa, uključujući analogni i digitalni I/O portovi, tajmeri/branači, UART, SPI i I2C komunikacijske sučelja, itd. Ove karakteristike čine C8051F040 vrlo prikladnim kao centralni procesor glavnog računala, sposobnim ispunjavanja zahtjeva za brzim obradom podataka i složenom kontrolnom logikom.

Za osiguranje stvarno-vremenove nadzorne sposobnosti sustava, u dizajnu glavnog računala zaposlen je visokoperformantni nadzorni modul. Taj modul tipično uključuje visokobrzinski ADC (Analogno-digitalni pretvarač), DAC (Digitalno-analogni pretvarač), kao i krugove za nadzor napona i struja. Može prikupljati i pretvoriti elektromagnetske parametre u stvarno-vremenom, pružajući točne podatkovne podrške za dijagnozu grešaka.

U isto vrijeme, glavno računalo mora komunicirati s donjim računalom i udaljenim centrom nadzora. Dizajn uključuje različite komunikacijske sučelja, poput RS-232, RS-485 i Ethernet. Ova sučelja osiguravaju brzu prenosu podataka i sposobnost udaljenog upravljanja.

Za olakšanje operaterima u nadzoru i upravljanju sustavom, glavno računalo je opremljeno ljudskom-mašinskim interaktivnim sučeljem, obično sastavljenim od LCD zaslona i tipkovnice. Operateri mogu koristiti ova sučelja za stvarno-vremenski pregled stanja sustava.

(2) Senzor za detekciju izolacije

Kako bi zadovoljili potrebe za renovacijom DC sustava u starim elektraničnim postrojenjima i podstacijama, osoblje je dizajniralo visokotocni odvojivi senzor za detekciju izolacije. Upotrebom naprednih elektroničkih tehnologija i materijala, ovaj senzor ima visoku osjetljivost, visoku stabilnost i dug životni vijek, te može stabilno funkcionirati čak i u teškim uvjetima.

Visoka preciznost je ključni pokazatelj performansi senzora za detekciju izolacije. Korištenjem naprednih algoritama detekcije i elektroničkih komponenti, može točno detektirati minute promjene izolacije, osiguravajući točnost i pravovremenost informacija o greškama.

Nadogradnjom i renovacijom uređaja za termičku izolaciju DC sustava u starim elektraničnim postrojenjima i podstacijama te korištenjem visokopreciznih odvojivih senzora za detekciju izolacije, sigurnost sustava može biti značajno poboljšana. Ovi senzori imaju sposobnost visokoprecizne detekcije i mogu pravo vrijeme detektirati greške izolacije, time učinkovito sprečavajući događanje nesreća.

(3) Modul za ranu upozorenja

Za poboljšanje točnosti i brzine ranih upozorenja, ovaj modul obično integrira dvostruki mehanizam aktivnih i pasivnih ranih upozorenja.

Aktivna rana upozorenja odnosi se na proaktivnu detekciju električnih parametara sustava. Čim parametri odstupaju od normalnog raspona, odmah se aktivira signal rane upozorenja. Aktivna rana upozorenja obično se oslanja na visokoperformantne senzore i uređaje za prikupljanje podataka. Ovi uređaji mogu stvarno-vremenski nadgledati ključne parametre poput struje, napona i frekvencije, te analizirati relevantne podatke putem ugrađenih algoritama kako bi se odredilo jesu li prisutni potencijalni rizici od grešaka. Pasivna rana upozorenja, s druge strane, uključuje analizu relevantnih električnih parametara i emitiranje signala rane upozorenja nakon što sustav primi vanjske signale. Na primjer, kada se uređaj reljefne zaštite u podstaciji aktivira, pasivni modul rane upozorenja odmah se aktivira kako bi se analizirao uzrok aktivacije i utvrdilo jesu li potrebne daljnje mjere obrade, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1 Dizajn hardverske strukture

U dizajnu hardverske strukture modula za ranu detekciju, kombiniranje aktivnih i pasivnih ranih upozorenja može značajno poboljšati sposobnost sustava za rana upozorenja i brzinu reakcije. Aktivna rana upozorenja može stvarno-vremenski nadgledati električne parametre i brzo prepoznati potencijalne rizike od grešaka; dok pasivna rana upozorenja može brzo reagirati kada se događaju specifični događaji i provesti duboku analizu uzroka grešaka.

Za učinkovitu kombinaciju ove dvije metode ranih upozorenja, u dizajnu hardvera treba uzeti u obzir sljedeće ključne elemente:

• Izbor senzora i uređaja za prikupljanje podataka: Moraju se odabrati visokoprecizni senzori i uređaji za prikupljanje podataka kako bi se osigurala točnost podataka.

• Sposobnosti obrade i analize podataka: Modul za ranu nadzornu analizu trebao bi imati moćne sposobnosti obrade i analize podataka kako bi brzo prepoznavao nepravilne podatke i donosio zaključke o ranim upozorenjima.

• Komunikacijska sučelja i protokoli: Modul bi trebao podržavati više komunikacijskih sučelja i protokola kako bi omogućio razmjenu podataka s drugim sustavima ili uređajima.

• Pouzdanost: Dizajn hardvera trebao bi osigurati da modul može stabilno funkcionirati u ekstremnim uvjetima i usvojiti nužne sigurnosne mjere kako bi se spriječila pogrešna operacija i neovlašteni pristup.

III. Dizajn softvera sustava
(1) Simulacijsko modeliranje karakteristika opterećenja greškom

Jezgra sustava za otkrivanje informacija o greškama reljefne zaštite podstacija nalazi se u dizajnu strukture softvera, posebno u izgradnji statičkih i dinamičkih modela opterećenja. Ovi modeli ciljaju opisati aktivnu i reaktivnu snagu opterećenja tijekom operacije sustava, kao i sporo promjene napona i frekvencije, i obično se izražavaju polinomskim modelima. Slatički model opterećenja obično se izražava kao:

gdje P i Q predstavljaju aktivnu i reaktivnu snagu, V je napon, P0, Q0, V0 su vrijednosti u referentnom stanju, a n i m su koeficijenti karakteristika opterećenja.

Dinamički model opterećenja je relativno složeniji. On uzima u obzir dinamičku reakciju opterećenja na promjene napona i frekvencije, uključujući više vremenskih konstanti kako bi simulirao brzinu reakcije opterećenja na promjene napona i frekvencije. Dinamički model opterećenja može se izraziti serijom diferencijalnih jednadžbi koje opisuju stopu promjene snage opterećenja kroz vrijeme.

U dizajnu strukture softvera, ovi modeli su integrirani u sustav otkrivanja informacija o greškama reljefne zaštite kako bi se stvarno-vremenski nadgledalo i analiziralo stanje operacije podstacije. Sustav prikuplja stvarno-vremenske podatke, uključujući struju, napon, snagu, itd., i koristi ove modele za izračune kako bi znanstveno identificirao potencijalne greške.

(2) Prikupljanje informacija o greškama

Za osiguranje pouzdanosti opreme reljefne zaštite, dizajn sustava za otkrivanje informacija o greškama je posebno važan, posebno dio prikupljanja informacija o greškama. Ovaj dio obično se dijeli na tri modula: prikupljanje informacija o stabilnom stanju, prikupljanje informacija o tranzientnim događajima i upravljanje status datotekama.

Modul za prikupljanje informacija o stabilnom stanju glavno je odgovoran za prikupljanje električnih parametara podstacije tijekom normalne operacije, poput napona, struje, snage, itd. Ovi podaci su osnova za procjenu stanja operacije mreže i također su važni za analizu i predviđanje grešaka. Ovaj modul obično uključuje tri podmodula: prikupljanje podataka, obrada podataka i pohrana podataka. Podmodul za prikupljanje podataka stvarno-vremenski dobiva električne parametre putem sučelja s sustavom nadzora podstacije; podmodul za obradu podataka provodi prethodnu analizu prikupljenih podataka, uklanja nepravilne vrijednosti i formatira podatke; podmodul za pohranu podataka pohranjuje obrađene podatke u bazu podataka za kasniju analizu.

Modul za prikupljanje informacija o tranzientnim događajima fokusira se na hvatanje tranzientnih događaja u mreži, poput kraćenja, otvaranja kruga i drugih grešaka. Ovi tranzientni događaji često su pratiočeni oštrim promjenama električnih parametara, pa je potrebno visokobrzinsko i visokoprecizno opremu za prikupljanje podataka. Ovaj modul obično uključuje tri podmodula: visokobrzinsko prikupljanje podataka, identifikacija tranzientnih događaja i pohrana podataka o događaju. Podmodul za visokobrzinsko prikupljanje podataka može zabilježiti promjene električnih parametara s razlučivosti na razini mikrosekundi; podmodul za identifikaciju tranzientnih događaja sudjeluje je li došlo do greške i točno identificira tip greške prema unaprijed postavljenim algoritmima; podmodul za pohranu podataka o događaju pohranjuje identificirane informacije o grešci u posebnu bazu podataka, što je korisno za duboku analizu od strane osoblja.

Modul za upravljanje status datotekama odgovoran je za upravljanje i održavanje status datoteka opreme reljefne zaštite podstacije, te detaljno zapisuje ključne informacije poput detalja konfiguracije, stanja operacije i povijesnih zapisa o greškama zaštitne opreme. Glavni je sastavljen od četiri podmodula: generiranje, ažuriranje, upit i backup status datoteka. Podmodul za generiranje generira inicijalnu status datoteku prema stvarnoj konfiguraciji zaštitne opreme; podmodul za ažuriranje ažurira status datoteku kada se parametri opreme ili konfiguracija promijene; podmodul za upit dopušta korisnicima da upitaju informacije u status datoteci; podmodul za backup redovito pravi backup status datoteke kako bi se efektivno izbjegla gubitak podataka.

(3) Detekcija informacija o greškama

Kada sloj upravljanja podstacije primi alarmnu informaciju "Greška u mrežnoj vezi A-linije" od reljefne zaštite, sustav treba odmah pokrenuti postupak detekcije informacija o greškama kako bi se potvrdilo je li ova alarmna informacija jedini izvor, tj. jesu li i drugi uređaji emitirali slične alarme. U ovom primjeru, ako drugi uređaji ne emitiraju alarme, sustav će se fokusirati na informacije o "Grešci u mrežnoj vezi A-linije".

Da bi se informacije o greškama obradile i analizirale učinkovitije, sustav dizajnira pet kombinacija virtualnih terminala i točaka grešaka, kao što je prikazano u tablici 1.

Svaki virtualni terminal odgovoran je za različite zadatke, od nadzora statusa mrežne veze do pružanja rješenja, formirajući kompletni postupak obrade grešaka. Kroz gore navedeni dizajn strukture softvera, sustav za otkrivanje informacija o greškama reljefne zaštite podstacije može učinkovito detektirati informacije o greškama i osigurati sigurnu operaciju podstacije. Posebno kada primi alarm o "Grešci u mrežnoj vezi A-linije", sustav može brzo reagirati i poduzeti odgovarajuće mjere kako bi se smanjio utjecaj greške na sustav snabdijevanja električnom energijom.

IV. Eksperimentalna verifikacija
(1) Struktura mreže topologije

Struktura mreže topologije dizajna sustava za otkrivanje informacija o greškama reljefne zaštite za 500 kV podstaciju koji je uveden u funkciju 2023. strogo pridržava se ključnih principa visoke pouzdanosti, visoke dostupnosti i lako održavanja. Ovaj sustav koristi hijerarhijsku i distribuiranu arhitekturu mreže, a njegove implementacijske korake su dobro organizirani, uključujući sljedeće elemente.

• Prikupljanje podataka: Kroz senzore i uređaje za prikupljanje podataka instalirane na različitim ključnim čvorovima podstacije, stvarno-vremenski se prikuplja podaci o radu uređaja reljefne zaštite.

• Prenos podataka: Korištenjem tehnologije mrežne komunikacije, prikupljeni podaci se brzo i točno prenose u centar obrade podataka.

• Analiza podataka: U centru obrade podataka, visokoperformantni računari i profesionalni programi za analizu koriste se za analizu podataka, prepoznavanje nepravilnih uzoraka i potencijalnih grešaka.

• Dijagnostika grešaka: Kada se otkrije nepravilan uzorak, sustav automatski provede dijagnostiku grešaka kako bi se utvrdili tip i lokacija greške.

• Alarm i reakcija: Sustav obavještava osoblje za održavanje o informacijama o greškama kroz sistem alarmiranja i pruža preporuke za početnu obradu grešaka.

• Obrada grešaka: Osoblje za održavanje može brzo poduzeti mjere za obradu grešaka prema informacijama i preporukama pruženim od strane sustava, čime se osigurava stabilna operacija mreže električne energije.

(2) Eksperimentalni rezultati i analiza

U eksperimentu su korišteni dva sustava za otkrivanje: jedan je tradicionalni sustav za online otkrivanje sekundarnog kruga reljefne zaštite podstacije temeljen na SCD datoteci, a drugi je sustav za otkrivanje informacija o greškama reljefne zaštite podstacije temeljen na prostorno-vremenskoj analizi. Obje su sustave testirane u istom okruženju podstacije kako bi se osigurala usporedivost rezultata [8].

Eksperimentalni podaci pokazuju da su maksimalni izolacijski naponi pozitivne i negativne busne mreže, mjereni sustavom temeljenim na SCD datoteci, 192.1 V i 191.4 V, dok su odgovarajuće vrijednosti mjerenih sustavom temeljenim na prostorno-vremenskoj analizi 190.3 V i 210.23 V. Konkretni podaci su prikazani u tablici 2.

Iz eksperimentalnih rezultata vidljivo je da sustav temeljen na prostorno-vremenskoj analizi ima malo nižu vrijednost maksimalnog izolacijskog napona za pozitivnu busnu mrežu u usporedbi s sustavom temeljenim na SCD datoteci, ali malo višu vrijednost za negativnu busnu mrežu. To ukazuje da sustav temeljen na prostorno-vremenskoj analizi može pružiti točnije mjere u određenim situacijama. Međutim, ova razlika nije značajna. Stoga, kako bi se dobio dublji uvid u razlike u performansama ova dva sustava, može biti potrebno dodatno prikupljanje i analiza velikog broja eksperimentalnih podataka.

V. Zaključak

Novi sustav za otkrivanje informacija o greškama reljefne zaštite podstacije dizajniran i istražen u ovom radu može stvarno-vremenski nadgledati radni status uređaja reljefne zaštite, automatski analizirati i dijagnosticirati informacije o greškama, i brzo prenijeti informacije o greškama osoblju za održavanje putem tehnologije mrežne komunikacije. To im omogućuje da poduzeu odgovarajuće mjere kako bi se spriječilo širenje grešaka i osigurala sigurna i stabilna operacija sustava snabdijevanja električnom energijom.