Az áramváltó relévédelmi hibainformáció-értesítő rendszer tervezése
I. Bevezetés
Az elmúlt években a hálózat méretének folyamatos növekedése során az átalakítóállomások, mint a villamos energia rendszerének kulcsfontosságú csomópontjai, létfontosságú szerepet játszanak a teljes hálózat megbízhatóságának biztosításában biztonságos és stabil működésük révén. A relesvédelem az átalakítóállomások biztonságos működésének első védnöksége. A relesvédelem pontossága és gyorsasága közvetlenül összefügg a villamos energia rendszer stabilitásával. Ezért az átalakítóállomás relesvédő rendszerének hibainformációinak hatékony észlelése, valamint a potenciális hibák időben történő felismerése és orvoslása nagyon jelentős a villamos energia rendszer biztonságos működésének megőrzése szempontjából.
A relesvédő hibák detektálásának hagyományos módszerei főleg manuális ellenőrzésekkel és rendszeres karbantartással történnek. Ezek a módszerek nem csak sok időt és erőforrást igényelnek, de nem képesek valós idejű figyelést biztosítani. Ennek eredményeként könnyen lehetséges, hogy a hibák korai jeleit elmulassák. Az információs technológia folyamatos fejlődésével, különösen a számítógépes és kommunikációs technológiák előrehaladásával, a modern átalakítóállomás relesvédő hibainformáció detektáló rendszerek kezdtek automatizált módszereket alkalmazni. Valós idejű adatszerezéssel ezek a rendszerek a relesvédő állapot valós idejű monitorozását és a hibák gyors helyreállítását tudják elérni.
Ezért ebben a tanulmányban egy átalakítóállomás relesvédő hibainformáció detektáló rendszert javasolunk, amely modern információs technológiákra épül, és részletesen ismerteti a hardver szerkezetét, a szoftver tervezését és a kísérleti eredményeket.
II. A rendszer hardver szerkezete
(1) Főgép
A főgép tervezése közvetlenül befolyásolja a teljes rendszer teljesítményét. A hardver szerkezete a C8051F040 egyegyszerű mikroprocesszort használja alap processzorként. A C8051F040 egyegyszerű mikroprocesszor egy magas teljesítményű, alacsony energiaszükségletű vegyes jellegű mikrokontroller, amely gazdag perifériai erőforrásokat integrál, beleértve analóg és digitális I/O portokat, időzítő/számlálókat, UART, SPI és I2C kommunikációs interfészeket. Ezek a jellemzők a C8051F040-t kiválóan alkalmasnak teszik a főgép alap processzorként, amely képes a magas sebességű adatfeldolgozás és összetett vezérlési logika követelményeinek kielégítésére.
A rendszer valós idejű figyelési képességének biztosítása érdekében a főgép tervezése során egy magas teljesítményű figyelési egységet alkalmaznak. Ez az egység általában magas sebességű ADC (analóg-digitális konverter), DAC (digitális-analóg konverter) és feszültség/áram figyelési áramköröket tartalmaz. Valós idejű adatgyűjtést és konvertálást végezhet, pontos adatot nyújtva a hiba diagnosztikához.
Ugyanakkor a főgépnek kommunikálnia kell az alsóbb szintű géppel és a távoli figyelési központtal. A tervezésbe több kommunikációs interfész is beépült, például RS-232, RS-485 és Ethernet. Ezek az interfészek biztosítják az adat gyors továbbítását és a távoli irányítás képességét.
A rendszer operátorai számára a főgép ember-máquina interakciós felülettel is rendelkezik, amely általában LCD-kijelzőt és billentyűzetet tartalmaz. Az operátorok ezeket a felületeket használhatják a rendszer állapotának valós idejű megfigyeléséhez.
(2) Izoláció detektáló szenzor
A régi erőművek és átalakítóállomások DC rendszereinek átalakítási igényeinek kielégítésére a személyzet egy magas pontosságú, leválasztható izoláció detektáló szenzort tervezett. Fejlett elektronikus technológiák és anyagok használatával ez a szenzor magas érzékenységű, stabil és hosszú élettartamú, és stabil működést biztosít még nehezebb környezeti körülmények között is.
A magas pontosság a izoláció detektáló szenzor kulcsfontosságú teljesítményi mutatója. Fejlett detektáló algoritmusok és elektronikus komponensek használatával pontosan észleli a kis izoláció változásokat, garantálva a hiba információ pontosságát és időben történő észlelését.
A régi erőművek és átalakítóállomások DC rendszereinek hőszigetelési eszközeinek frissítése és a magas pontosságú, leválasztható izoláció detektáló szenzorok használata jelentősen növelheti a rendszer biztonságát. Ezek a szenzorok magas pontosságú detektálást képesek végrehajtani, és gyorsan észlelik az izoláció hibáit, így hatékonyan megelőzik a balesetek bekövetkezését.
(3) Korai riasztás detektáló modul
A korai riasztások pontosságának és reakcióidejének javítása érdekében ez a modul általában aktív és passzív riasztási mechanizmust integrál.
Az aktív riasztás azt jelenti, hogy a rendszer proaktívan ellenőrzi az elektromos paramétereket. Amennyiben a paraméterek eltérnek a normál tartománytól, azonnal aktiválódik a korai riasztási jel. Az aktív riasztás általában magas teljesítményű szenzorokra és adatszerező eszközökre támaszkodik. Ezek az eszközök valós idejű figyelést végeznek a kulcsfontosságú paramétereken, mint például az áram, feszültség és frekvencia, és a beépített algoritmusok segítségével elemzik az adatokat, hogy megállapítsák, vannak-e potenciális hibajelenségek. A passzív riasztás ugyanakkor a releváns elektromos paraméterek elemzésére és riasztási jel kiadására vonatkozik, miután a rendszer külső jeleket kap. Például, ha az átalakítóállomás relesvédő eszköze működik, a passzív riasztási modul azonnal aktiválódik, hogy elemezze a működés okát, és megállapítsa, szükséges-e további intézkedések, ahogy az Ábra 1-ben látható.
Ábra 1 Hardver szerkezeti tervezés
A korai riasztási detektáló modul hardver szerkezeti tervezésében az aktív és passzív riasztás kombinálása jelentősen növelheti a rendszer korai riasztási képességét és reakcióidejét. Az aktív riasztás valós idejű figyelést végezhet az elektromos paraméterekre, és gyorsan felismerni tudja a potenciális hibajelenségeket; míg a passzív riasztás gyorsan reagálhat adott eseményekre, és mélyebben elemzi a hiba okait.
Azonosítani kell a hardver tervezésben a következő kulcsfontosságú elemeket, hogy hatékonyan kombinálja ezeket a két riasztási módszert:
Szenzorok és adatszerező eszközök kiválasztása: Magas pontosságú szenzorokat és adatszerező eszközöket kell kiválasztani, hogy biztosítsuk az adatok pontosságát.
Adatfeldolgozás és elemzési képességek: A korai riasztási figyelési modulnak erős adatfeldolgozás és elemzési képességei kellene legyenek, hogy gyorsan felismerje az anomál adatokat, és korai riasztási döntéseket hozzon.
Kommunikációs interfészek és protokollok: A modulnak támogatnia kell a számos kommunikációs interfészt és protokollt, hogy lehetővé tegye az adatcserét más rendszerekkel vagy eszközökkel.
Megbízhatóság: A hardver tervezésnek biztosítania kell, hogy a modul stabil működést biztosítanak extrém környezeti körülmények között, és szükséges biztonsági intézkedéseket kell alkalmaznia, hogy megelőzze a téves működést és a jogosulatlan hozzáférést.
III. A rendszer szoftver tervezése
(1) Hibahordozó jellemzők szimulációs modellezése
Az átalakítóállomás relesvédő hibainformáció detektáló rendszer szívaja a szoftver szerkezeti tervezése, különösen a statikus és dinamikus hordozómodellök kialakítása. Ezek a modellek célja, hogy leírják a hordozó aktív és reaktív teljességét a rendszer működése során, valamint a feszültség és a frekvencia lassú változásait, és általában polinomiális modellekkel fejezik ki őket. A statikus hordozómodellt általában a következőképpen fejezik ki:
ahol P és Q rendre az aktív és reaktív teljesítményt jelentik, V a feszültséget, P0, Q0, V0 a referenciában lévő értékek, és n, m a hordozó jellemző együtthatói.
A dinamikus hordozómodell viszont komolyabb. Figyelembe veszi a hordozó dinamikus válaszát a feszültség és a frekvencia változásaira, beleértve a több időállandót, hogy szimulálja a hordozó válaszidőjét a feszültség- és frekvencia-változásokra. A dinamikus hordozómodellt egy sor differenciálegyenlettel fejezik ki, amelyek leírják a hordozó teljesítményének időbeli változását.
A szoftver szerkezeti tervezés során ezek a modellek integrálva vannak a relesvédő hibainformáció detektáló rendszerbe, hogy valós idejű figyelést és elemzést végezzenek az átalakítóállomás működési állapotán. A rendszer valós idejű adatokat gyűjt, beleértve az áramot, feszültséget, teljesítményt stb., és ezeket a modelleket használja a számításokhoz, hogy tudományosan felismerje a potenciális hibajelenségeket.
(2) Hibainformáció gyűjtése
A relesvédő berendezések megbízhatóságának biztosítása érdekében a hibainformáció detektáló rendszer tervezése különösen fontos, különösen a hibainformáció gyűjtése része. Ez a rész általában három modulra osztható: állapotfolyamatos információ gyűjtése, tranzien információ gyűjtése, és állapotfájlok kezelése.
Az állapotfolyamatos információ gyűjtési modul főleg az átalakítóállomás normál működése során lévő elektromos paraméterek, mint például a feszültség, az áram, a teljesítmény, gyűjtéséért felelős. Ezek az adatok alapja a hálózat működési állapotának értékelésének, és fontosak a hiba elemzéséhez és előrejelzéséhez. Ez a modul általában három alk modulusból áll: adatgyűjtés, adatfeldolgozás, és adattárolás. Az adatgyűjtési alkmodulus valós idejű elektromos paramétereket szerez be az átalakítóállomás figyelő rendszerének interfésze révén; az adatfeldolgozó alkmodulus előzetes elemzést végez a gyűjtött adatokon, eltávolítja az anomál értékeket, és formázza az adatokat; az adattároló alkmodulus pedig a feldolgozott adatokat adatbázisba menti a további elemzéshez.
A tranzien információ gyűjtési modul fókuszál a hálózat tranzien eseményeinek, mint például a rövidzárlás, a nyitva maradás, és egyéb hibák rögzítésére. Ezek a tranzien események gyakran jelentős elektromos paraméter változásokkal járnak, ezért magas sebességű és pontosságú adatszerező berendezések szükségesek. Ez a modul általában három alk modulusból áll: magas sebességű adatgyűjtés, tranzien esemény azonosítás, és esemény adattárolás. A magas sebességű adatgyűjtési alkmodulus mikroszekundum-szintű felbontással rögzítheti az elektromos paraméterek változásait; a tranzien esemény azonosító alkmodulus algoritmusok segítségével eldönti, hogy történt-e hiba, és pontosan azonosítja a hiba típusát; az esemény adattároló alkmodulus a felismert hibainformációkat egy specifikus adatbázisban tárolja, ami kedvező a személyzet részletes elemzéséhez.
Az állapotfájlok kezelési modul felelős az átalakítóállomás relesvédő berendezések állapotfájlinak kezeléséért és fenntartásáért, és részletesen rögzíti a védőberendezések konfigurációjának, működési állapotának, és történetes hibafeljegyzéseknek a kulcsfontosságú információit. Főleg négy alk modulusból áll: állapotfájl generálás, frissítés, lekérdezés, és biztonsági mentés. A generáló alkmodulus kezdeti állapotfájlt hoz létre a védőberendezések tényleges konfigurációjának alapján; a frissítő alkmodulus frissíti az állapotfájlt, amikor a berendezés paraméterei vagy konfigurációja változik; a lekérdező alkmodulus lehetővé teszi a felhasználóknak, hogy lekérdezzék az állapotfájlban található információkat; a biztonsági mentési alkmodulus rendszeresen biztonsági mentést készít az állapotfájlról, hogy hatékonyan elkerülje az adatvesztést.
(3) Hibainformáció detektálása
Amikor a telephelyi vezérlő szint "A - vonal egyesített hálózati kapcsolat hiba" jelzést kap a relesvédőtől, a rendszer azonnal elindítja a hibainformáció detektálási folyamatot, hogy megerősítse, hogy ez a jelzés az egyetlen forrás-e, azaz, hogy a többi berendezés is hasonló jelzést küldött-e. Ebben a példában, ha a többi berendezés nem küld jelzést, a rendszer fókuszál az "A - vonal egyesített hálózati kapcsolat hiba" információira.
A hibainformációk hatékonyabb feldolgozásához és elemzéséhez a rendszer öt virtuális terminál és hiba csomópont kombinációt tervez, ahogy a Táblázat 1-ben látható.
Minden virtuális terminál különböző feladatokat lát el, a hálózati kapcsolat állapotának figyelésétől a megoldások biztosításáig, egy teljes hibakezelési folyamatot alkotva. A fenti szoftver szerkezeti tervezés révén az átalakítóállomás relesvédő hibainformáció detektáló rendszer hatékonyan képes hibainformációk detektálására, és az átalakítóállomás biztonságos működésének biztosítására. Különösen, amikor "A - vonal egyesített hálózati kapcsolat hiba" jelzést kap, a rendszer gyorsan reagál, és megfelelő intézkedéseket hoz, hogy minimalizálja a hiba hatását a villamos energia rendszerre.
IV. Kísérleti ellenőrzés
(1) Hálózati topológiai szerkezet
A 2023-as üzembe helyezésű 500 kV átalakítóállomáshoz tartozó relesvédő hibainformáció detektáló rendszer hálózati topológiai szerkezete szigorúan követi a magas megbízhatóság, magas elérhetőség és könnyű karbantartás alapelveit. Ez a rendszer hierarchikus és elosztott hálózati architektúrát alkalmaz, és a végrehajtási lépései jól szervezettek, főleg a következő elemeket tartalmazzák.
Adatgyűjtés: Az átalakítóállomás különböző kulcsfontosságú csomópontjain telepített szenzorok és adatszerező eszközök segítségével valós idejű adatgyűjtést végeznek a relesvédő berendezések működéséről.
Adatátvitel: Hálózati kommunikációs technológiák segítségével a gyűjtött adatok időben és pontosan továbbítva lesznek az adatfeldolgozó központba.
Adatelemzés: Az adatfeldolgozó központban magas teljesítményű számítógépek és szakmai elemző szoftverek segítségével az adatokat elemzik, az anomál mintákat és a potenciális hibákat azonosítják.
Hibadiagnosztika: Ha anomália észlelhető, a rendszer automatikusan hibadiagnosztikát végez, hogy meghatározza a hiba típusát és helyét.
Riasztás és reakció: A rendszer a hibainformációkkal értesíti a működtetési és karbantartási személyzetet a riasztó rendszerrel, és előzetes hibakezelési javaslatokat ad.
Hibakezelés: A működtetési és karbantartási személyzet gyorsan intézkedhet a rendszer által biztosított hibainformációk és javaslatok alapján, hogy biztosítsa a hálózat stabil működését.
(2) Kísérleti eredmények és elemzés
A kísérlet során két detektáló rendszert használtak: az egyik a SCD fájl alapján működő hagyományos átalakítóállomás relesvédő másodlagos körök online detektáló rendszer, a másik pedig a tér-idő elemzés alapján működő átalakítóállomás relesvédő hibainformáció detektáló rendszer. Mindkét rendszert ugyanazon átalakítóállomás környezetében tesztelték, hogy biztosítsák az eredmények összehasonlíthatóságát [8].
A kísérleti adatok azt mutatják, hogy az SCD fájl alapján működő detektáló rendszer által mért pozitív és negatív busz feszültségei rendre 192,1 V és 191,4 V, míg a tér-idő elemzés alapján működő detektáló rendszer által mért értékek rendre 190,3 V és 210,23 V. A konkrét adatok a Táblázat 2-ben láthatók.
A kísérleti eredmények alapján látható, hogy a tér-idő elemzés alapján működő detektáló rendszer a pozitív busz esetében kissé alacsonyabb maximális izolációs feszültséget mér, mint az SCD fájl alapján működő detektáló rendszer, de a negatív busz esetében kissé magasabb értéket. Ez azt jelenti, hogy a tér-idő elemzés alapján működő detektáló rendszer bizonyos esetekben pontosabb mérési eredményeket adhat. Ugyanakkor ez a különbség nem jelentős. Tehát, hogy mélyebb megértést nyerjünk a két rendszer teljesítményi különbségeiről, szükség lehet a további kísérleti adatok gyűjtésére és elemzésére.
