Il Progetto del Sistema di Rilevazione delle Informazioni sui Guasti della Protezione Relè della Sottostazione
I. Introduzione
Negli ultimi anni, con l'espansione continua della rete elettrica, le sottostazioni, come nodi cruciali del sistema elettrico, svolgono un ruolo vitale nel garantire l'affidabilità dell'intera rete elettrica attraverso il loro funzionamento sicuro e stabile. La protezione relè costituisce la prima linea di difesa per il funzionamento sicuro delle sottostazioni. L'accuratezza e la rapidità della protezione relè sono direttamente correlate alla stabilità del sistema elettrico. Pertanto, rilevare efficacemente le informazioni sui guasti del sistema di protezione relè delle sottostazioni, identificare e risolvere tempestivamente i potenziali guasti, è di grande importanza per tutelare il funzionamento sicuro del sistema elettrico.
I metodi tradizionali per il rilevamento dei guasti della protezione relè si basano principalmente su ispezioni manuali e manutenzioni regolari. Questi metodi non solo sono dispendiosi in termini di tempo e lavoro, ma non riescono a raggiungere un monitoraggio in tempo reale. Di conseguenza, tendono a perdere i segnali precoci dei guasti. Con lo sviluppo continuo della tecnologia dell'informazione, in particolare con gli avanzamenti nella tecnologia informatica e delle comunicazioni, i moderni sistemi di rilevamento delle informazioni sui guasti della protezione relè delle sottostazioni hanno iniziato ad adottare metodi automatizzati. Attraverso la raccolta di dati in tempo reale, questi sistemi possono raggiungere un monitoraggio in tempo reale dello stato della protezione relè e localizzare rapidamente i guasti.
Pertanto, questo articolo propone un sistema di rilevamento delle informazioni sui guasti della protezione relè delle sottostazioni basato sulla tecnologia dell'informazione moderna ed elabora in dettaglio la sua struttura hardware, il design software e i risultati sperimentali.
II. Progettazione della Struttura Hardware del Sistema
(1) Computer Host
La progettazione del computer host influenza direttamente le prestazioni dell'intero sistema. La sua struttura hardware utilizza il microcontrollore C8051F040 come processore centrale. Il microcontrollore C8051F040 è un microcontrollore a basso consumo e ad alte prestazioni che integra abbondanti risorse periferiche, tra cui porte I/O analogiche e digitali, timer/contatori, UART, SPI e interfacce di comunicazione I2C, tra le altre. Queste caratteristiche rendono il C8051F040 altamente adatto come processore centrale del computer host, in grado di soddisfare i requisiti di elaborazione rapida dei dati e logica di controllo complessa.
Per garantire la capacità di monitoraggio in tempo reale del sistema, viene impiegata una unità di monitoraggio ad alte prestazioni nella progettazione del computer host. Questa unità include tipicamente un ADC (Convertitore Analogico-Digitale) ad alta velocità, un DAC (Convertitore Digitale-Analogico) e circuiti di monitoraggio di tensione/corrente. Può raccogliere e convertire i parametri elettrici in tempo reale, fornendo un supporto di dati accurati per la diagnosi dei guasti.
Inoltre, il computer host deve comunicare con il computer inferiore e il centro di monitoraggio remoto. La progettazione include varie interfacce di comunicazione, come RS-232, RS-485 ed Ethernet. Queste interfacce garantiscono la rapida trasmissione dei dati e la capacità di controllo remoto.
Per facilitare gli operatori nel monitoraggio e nel controllo del sistema, il computer host è dotato anche di un'interfaccia uomo-macchina, solitamente costituita da uno schermo LCD e una tastiera. Gli operatori possono utilizzare queste interfacce per visualizzare lo stato del sistema in tempo reale.
(2) Sensore di Rilevamento dell'Isolamento
Per soddisfare i requisiti di rinnovazione dei sistemi DC nelle vecchie centrali elettriche e sottostazioni, lo staff ha progettato un sensore di rilevamento dell'isolamento di alta precisione e staccabile. Utilizzando tecnologie e materiali elettronici avanzati, questo sensore presenta alta sensibilità, elevata stabilità e lunga durata, e può operare in modo stabile anche in ambienti difficili.
L'alta precisione è un indicatore chiave delle prestazioni del sensore di rilevamento dell'isolamento. Utilizzando algoritmi di rilevamento avanzati e componenti elettronici, può rilevare con precisione piccole variazioni dell'isolamento, assicurando l'accuratezza e la tempestività delle informazioni sui guasti.
Aggiornando e rinnovando i dispositivi di isolamento termico dei sistemi DC nelle vecchie centrali elettriche e sottostazioni e impiegando sensori di rilevamento dell'isolamento di alta precisione e staccabili, la sicurezza del sistema può essere significativamente migliorata. Questi sensori hanno la capacità di rilevamento di alta precisione e possono rilevare tempestivamente i guasti di isolamento, prevenendo così efficacemente l'insorgenza di incidenti.
(3) Modulo di Rilevamento Avanzato
Per migliorare l'accuratezza e la velocità di risposta degli avvisi anticipati, questo modulo generalmente integra un meccanismo doppio di allarme attivo e passivo.
L'allarme attivo si riferisce alla rilevazione proattiva del sistema dei parametri elettrici. Non appena i parametri si discostano dalla norma, viene immediatamente attivato un segnale di allarme. L'allarme attivo si basa solitamente su sensori e dispositivi di raccolta dati ad alte prestazioni. Questi dispositivi possono monitorare in tempo reale parametri chiave come corrente, tensione e frequenza e analizzare i dati pertinenti attraverso algoritmi integrati per determinare se esistano rischi di guasto potenziali. L'allarme passivo, invece, consiste nell'analisi di parametri elettrici rilevanti e nell'invio di un segnale di allarme dopo che il sistema riceve segnali esterni. Ad esempio, quando il dispositivo di protezione relè nella sottostazione opera, il modulo di allarme passivo viene attivato immediatamente per analizzare la causa dell'operazione e determinare se siano necessarie ulteriori misure di intervento, come mostrato in Figura 1.
Figura 1 Progettazione della Struttura Hardware
Nella progettazione della struttura hardware del modulo di rilevamento avanzato, combinare l'allarme attivo e l'allarme passivo può significativamente migliorare la capacità di allarme anticipato e la velocità di risposta del sistema. L'allarme attivo può monitorare i parametri elettrici in tempo reale e identificare rapidamente i rischi potenziali di guasto; mentre l'allarme passivo può reagire prontamente quando si verificano eventi specifici e condurre un'analisi approfondita delle cause dei guasti.
Per combinare efficacemente questi due metodi di allarme, nella progettazione hardware devono essere considerati i seguenti elementi chiave:
Selezione di sensori e dispositivi di raccolta dati: Devono essere selezionati sensori e dispositivi di raccolta dati di alta precisione per garantire l'accuratezza dei dati.
Capacità di elaborazione e analisi dei dati: Il modulo di monitoraggio avanzato deve avere potenti capacità di elaborazione e analisi dei dati per identificare rapidamente i dati anomali e formulare giudizi di allarme anticipato.
Interfacce di comunicazione e protocolli: Il modulo deve supportare diverse interfacce di comunicazione e protocolli per facilitare lo scambio di dati con altri sistemi o dispositivi.
Affidabilità: La progettazione hardware deve garantire che il modulo possa operare in modo stabile in ambienti estremi e adottare misure di sicurezza necessarie per prevenire malfunzionamenti e accessi non autorizzati.
III. Progettazione Software del Sistema
(1) Modellizzazione Simulativa delle Caratteristiche del Carico di Guasto
Il cuore del sistema di rilevamento delle informazioni sui guasti della protezione relè delle sottostazioni risiede nella progettazione della struttura software, in particolare nella costruzione di modelli statici e dinamici del carico. Questi modelli mirano a descrivere la potenza attiva e reattiva del carico durante l'operazione del sistema, nonché le lente variazioni di tensione e frequenza, ed sono solitamente espressi tramite modelli polinomiali. Il modello statico del carico è solitamente espresso come:
dove P e Q rappresentano rispettivamente la potenza attiva e reattiva, V è la tensione, P0, Q0, V0 sono i valori nello stato di riferimento, e n e m sono i coefficienti caratteristici del carico.
Il modello dinamico del carico è relativamente complesso. Prende in considerazione la risposta dinamica del carico alle variazioni di tensione e frequenza, includendo più costanti di tempo per simulare la velocità di risposta del carico alle variazioni di tensione e frequenza. Il modello dinamico del carico può essere espresso come una serie di equazioni differenziali che descrivono la velocità di variazione della potenza del carico nel tempo.
Nella progettazione della struttura software, questi modelli vengono integrati nel sistema di rilevamento delle informazioni sui guasti della protezione relè per monitorare e analizzare in tempo reale lo stato di operazione della sottostazione. Il sistema raccoglie dati in tempo reale, inclusi corrente, tensione, potenza, ecc., e utilizza questi modelli per calcoli scientifici per identificare potenziali condizioni di guasto.
(2) Raccolta delle Informazioni sui Guasti
Per garantire l'affidabilità dei dispositivi di protezione relè, la progettazione del sistema di rilevamento delle informazioni sui guasti è di particolare importanza, in particolare la parte di raccolta delle informazioni sui guasti. Questa parte è solitamente divisa in tre moduli: raccolta delle informazioni in stato stazionario, raccolta delle informazioni transitorie e gestione dei file di stato.
Il modulo di raccolta delle informazioni in stato stazionario è principalmente responsabile della raccolta dei parametri elettrici della sottostazione durante l'operazione normale, come tensione, corrente, potenza, ecc. Questi dati sono la base per valutare lo stato di operazione della rete elettrica e sono anche importanti per l'analisi e la previsione dei guasti. Questo modulo solitamente include tre sottomoduli: raccolta dei dati, elaborazione dei dati e archiviazione dei dati. Il sottomodulo di raccolta dei dati ottiene i parametri elettrici in tempo reale attraverso l'interfaccia con il sistema di monitoraggio della sottostazione; il sottomodulo di elaborazione dei dati effettua un'analisi preliminare sui dati raccolti, rimuove i valori anomali e formatta i dati; il sottomodulo di archiviazione dei dati memorizza i dati elaborati in un database per un'analisi successiva.
Il modulo di raccolta delle informazioni transitorie si concentra sul catturare eventi transitori nella rete elettrica, come cortocircuiti, apertura di circuiti e altri guasti. Questi eventi transitori sono spesso accompagnati da variazioni repentine dei parametri elettrici, quindi sono richiesti dispositivi di raccolta dati ad alta velocità e alta precisione. Questo modulo solitamente include tre sottomoduli: raccolta di dati ad alta velocità, identificazione di eventi transitori e archiviazione dei dati degli eventi. Il sottomodulo di raccolta di dati ad alta velocità può registrare le variazioni dei parametri elettrici con una risoluzione al microsecondo; il sottomodulo di identificazione di eventi transitori giudica se sia avvenuto un guasto e identifica con precisione il tipo di guasto secondo algoritmi preimpostati; il sottomodulo di archiviazione dei dati degli eventi memorizza le informazioni sui guasti identificati in un database specifico, favorendo l'analisi approfondita da parte del personale.
Il modulo di gestione dei file di stato è responsabile della gestione e manutenzione dei file di stato dei dispositivi di protezione relè della sottostazione, e registra in dettaglio informazioni chiave come i dettagli di configurazione, lo stato di operazione e i record storici dei guasti dei dispositivi di protezione. Include principalmente quattro sottomoduli: generazione dei file di stato, aggiornamento, query e backup. Il sottomodulo di generazione genera un file di stato iniziale in base alla configurazione effettiva dei dispositivi di protezione; il sottomodulo di aggiornamento aggiorna il file di stato quando cambiano i parametri o la configurazione dei dispositivi; il sottomodulo di query consente agli utenti di consultare le informazioni nei file di stato; il sottomodulo di backup effettua regolarmente il backup del file di stato per evitare efficacemente la perdita di dati.
(3) Rilevamento delle Informazioni sui Guasti
Quando il livello di controllo della stazione riceve l'informazione di allarme "errore di connessione della rete fusa A-line" dalla protezione relè, il sistema dovrebbe immediatamente avviare il processo di rilevamento delle informazioni sui guasti per confermare se questo allarme sia l'unica fonte, cioè se altri dispositivi abbiano emesso allarmi simili. In questo esempio, se altri dispositivi non emettono allarmi, il sistema si concentrerà sull'informazione "errore di connessione della rete fusa A-line".
Per elaborare e analizzare le informazioni sui guasti in modo più efficace, il sistema progetta cinque combinazioni di terminali virtuali e nodi di guasto, come mostrato nella Tabella 1.
Ogni terminale virtuale è responsabile di compiti diversi, dal monitoraggio dello stato di connessione della rete alla fornitura di soluzioni, formando un processo completo di gestione dei guasti. Attraverso la progettazione della struttura software sopra descritta, il sistema di rilevamento delle informazioni sui guasti della protezione relè delle sottostazioni può rilevare efficacemente le informazioni sui guasti e garantire il funzionamento sicuro della sottostazione. In particolare, quando riceve l'allarme "errore di connessione della rete fusa A-line", il sistema può rispondere rapidamente e prendere misure appropriate per minimizzare l'impatto del guasto sul sistema elettrico.
IV. Verifica Sperimentale
(1) Struttura Topologica della Rete
La progettazione della struttura topologica della rete del sistema di rilevamento delle informazioni sui guasti della protezione relè per la sottostazione a 500 kV messa in servizio nel 2023 aderisce strettamente ai principi fondamentali di alta affidabilità, alta disponibilità e facile manutenzione. Questo sistema adotta un'architettura di rete gerarchica e distribuita, e i suoi passaggi di implementazione sono ben organizzati, comprendendo principalmente i seguenti collegamenti.
Raccolta dei dati: Attraverso sensori e dispositivi di raccolta dati installati in vari nodi chiave della sottostazione, vengono raccolti in tempo reale i dati di funzionamento dei dispositivi di protezione relè.
Trasmissione dei dati: Utilizzando la tecnologia di comunicazione di rete, i dati raccolti vengono trasmessi in modo tempestivo e accurato al centro di elaborazione dei dati.
Analisi dei dati: Nel centro di elaborazione dei dati, vengono utilizzati computer ad alte prestazioni e software di analisi professionale per analizzare i dati, identificare schemi anomali e potenziali guasti.
Diagnosi dei guasti: Una volta rilevata un'anomalia, il sistema effettua automaticamente la diagnosi dei guasti per determinare il tipo e la posizione del guasto.
Allarme e risposta: Il sistema notifica al personale di manutenzione le informazioni sui guasti attraverso il sistema di allarme e fornisce suggerimenti iniziali per la gestione dei guasti.
Gestione dei guasti: Il personale di manutenzione può prendere rapidamente misure per gestire il guasto in base alle informazioni sui guasti e ai suggerimenti forniti dal sistema, garantendo così il funzionamento stabile della rete elettrica.
(2) Risultati e Analisi Sperimentali
Nell'esperimento sono stati utilizzati due sistemi di rilevamento: uno è il sistema di rilevamento in linea convenzionale del circuito secondario di protezione relè della sottostazione basato sul file SCD, e l'altro è il sistema di rilevamento delle informazioni sui guasti della protezione relè della sottostazione basato sull'analisi spazio-temporale. Entrambi i sistemi sono stati testati nello stesso ambiente di sottostazione per garantire la comparabilità dei risultati [8].
I dati sperimentali mostrano che le tensioni massime di isolamento dei bus positivo e negativo misurate dal sistema di rilevamento basato sul file SCD sono rispettivamente 192,1 V e 191,4 V, mentre i valori corrispondenti misurati dal sistema di rilevamento basato sull'analisi spazio-temporale sono 190,3 V e 210,23 V rispettivamente. I dati specifici sono mostrati nella Tabella 2.
Dai risultati sperimentali, si può vedere che il sistema di rilevamento basato sull'analisi spazio-temporale presenta un valore leggermente inferiore di tensione massima di isolamento per il bus positivo rispetto al sistema di rilevamento basato sul file SCD, ma un valore leggermente superiore per il bus negativo. Ciò indica che il sistema di rilevamento basato sull'analisi spazio-temporale può fornire risultati di misurazione più accurati in alcune situazioni. Tuttavia, questa differenza non è significativa. Pertanto, per ottenere una comprensione più approfondita delle differenze di prestazioni tra questi due sistemi, potrebbe essere necessario raccogliere e analizzare ulteriormente una grande quantità di dati sperimentali.
V. Conclusione
Il nuovo sistema di rilevamento delle informazioni sui guasti della protezione relè delle sottostazioni progettato e studiato in questo articolo può monitorare in tempo reale lo stato di funzionamento dei dispositivi di protezione relè, analizzare e diagnosticare automaticamente le informazioni sui guasti e trasmettere tempestivamente tali informazioni al personale di manutenzione attraverso la tecnologia di comunicazione di rete. Ciò permette loro di adottare misure rapide per prevenire l'espansione dei guasti e garantire il funzionamento sicuro e stabile del sistema elettrico.
