変電所継電保護故障情報検出システムの設計
I. はじめに
近年、電力網の規模が拡大するにつれて、変電所は電力システムにおける重要なノードとして、その安全かつ安定した運転を通じて全体的な電力網の信頼性を確保する役割を果たしています。リレー保護は変電所の安全運転の第一線の防衛線であり、リレー保護の正確さと迅速さは電力システムの安定性に直接関連しています。したがって、変電所リレー保護システムの故障情報を効果的に検出し、潜在的な故障を早期に特定し対処することは、電力システムの安全な運転を確保する上で非常に重要です。
従来のリレー保護故障検出方法は主に手動点検と定期メンテナンスに依存していました。これらの方法は時間と労力を要するだけでなく、リアルタイム監視を達成できないため、故障の初期信号を見逃す可能性があります。情報技術、特にコンピュータ技術や通信技術の発展に伴い、現代の変電所リレー保護故障情報検出システムでは自動化された方法が採用され始めています。リアルタイムデータ収集により、これらのシステムはリレー保護状態のリアルタイム監視を実現し、故障の迅速な位置特定が可能です。
したがって、本論文では現代の情報技術に基づく変電所リレー保護故障情報検出システムを提案し、そのハードウェア構造、ソフトウェア設計、および実験結果について詳細に説明します。
II. システムハードウェア構造の設計
(1) ホストコンピュータ
ホストコンピュータの設計は、システム全体の性能に直接影響します。そのハードウェア構造はC8051F040シングルチップマイクロコンピュータをコアプロセッサとして使用しています。C8051F040シングルチップマイクロコンピュータは高性能で低消費電力の混合信号マイクロコントローラであり、豊富な周辺リソースを統合しており、アナログおよびデジタルI/Oポート、タイマ/カウンタ、UART、SPI、I2C通信インターフェースなどが含まれます。これらの特性により、C8051F040は高速データ処理と複雑な制御ロジックの要求を満たすことができるホストコンピュータのコアプロセッサとして非常に適しています。
システムのリアルタイム監視能力を確保するために、ホストコンピュータの設計には高性能なモニタリングユニットが採用されています。このユニットには通常、高速ADC（アナログ・デジタル変換器）、DAC（デジタル・アナログ変換器）、および電圧/電流監視回路が含まれており、リアルタイムで電気パラメータを収集・変換し、故障診断に正確なデータサポートを提供します。
また、ホストコンピュータは下位コンピュータと遠隔監視センターとの間で通信を行う必要があります。設計にはRS-232、RS-485、イーサネットなどのさまざまな通信インターフェースが組み込まれており、これらのインターフェースはデータの高速伝送と遠隔制御の機能を確保します。
オペレーターがシステムの監視と制御を行いやすくするために、ホストコンピュータには人機間インタフェースも装備されており、通常はLCDディスプレイ画面とキーボードで構成されています。オペレーターはこれらのインターフェースを使用して、システムの状態をリアルタイムで確認することができます。
(2) 絶縁検出センサー
古い発電所や変電所の直流システムの改修要件を満たすために、スタッフは高精度の取り外し可能な絶縁検出センサーを設計しました。先進的な電子技術と材料を採用したこのセンサーは、高感度、高安定性、長寿命を特徴とし、厳しい環境下でも安定して動作することができます。
高精度は絶縁検出センサーの重要な性能指標です。先進的な検出アルゴリズムと電子部品を使用することで、微細な絶縁変化を正確に検出でき、故障情報の正確性とタイムリーさを確保します。
古い発電所や変電所の直流システムの熱絶縁装置をアップグレード・改修し、高精度の取り外し可能な絶縁検出センサーを採用することで、システムの安全性を大幅に向上させることができます。これらのセンサーは高精度な検出能力を持ち、絶縁故障を迅速に検出できるため、事故の発生を効果的に防止することができます。
(3) 早期警報検出モジュール
早期警報の精度と応答速度を向上させるために、このモジュールは一般的にアクティブ早期警報とパッシブ早期警報の二重メカニズムを統合しています。
アクティブ早期警報とは、システムが積極的に電気パラメータを検出することを指します。パラメータが正常範囲から逸脱すると、すぐに早期警報信号がトリガーされます。アクティブ早期警報は通常、高性能センサーとデータ収集デバイスに依存しています。これらのデバイスは、電流、電圧、周波数などの主要パラメータをリアルタイムで監視し、内蔵アルゴリズムを通じて関連データを分析して潜在的な故障リスクを判定します。一方、パッシブ早期警報は、システムが外部信号を受け取った後に関連電気パラメータを分析し、早期警報信号を発信します。例えば、変電所内のリレー保護装置が動作した場合、パッシブ早期警報モジュールは直ちに動作原因を分析し、さらなる処置が必要かどうかを判断します（図1参照）。
図1 ハードウェア構造設計
早期警報検出モジュールのハードウェア構造設計において、アクティブ早期警報とパッシブ早期警報を組み合わせることで、システムの早期警報能力と応答速度を大幅に向上させることができます。アクティブ早期警報は電気パラメータをリアルタイムで監視し、潜在的な故障リスクを迅速に識別できます。一方、パッシブ早期警報は特定のイベントが発生したときに即座に対応し、故障原因の詳細な分析を行うことができます。
これらの二つの早期警報方法を効果的に組み合わせるためには、ハードウェア設計において以下の主要要素を考慮する必要があります：
センサーとデータ収集デバイスの選択：データの正確性を確保するために、高精度のセンサーとデータ収集デバイスを選択する必要があります。
データ処理と分析能力：早期警報モニタリングモジュールは、異常データを迅速に識別し、早期警報判断を行う強力なデータ処理と分析能力を持つ必要があります。
通信インターフェースとプロトコル：モジュールは、他のシステムやデバイスとのデータ交換を容易にするために、複数の通信インターフェースとプロトコルをサポートする必要があります。
信頼性：ハードウェア設計は、極端な環境下でもモジュールが安定して動作できるようにし、誤操作や不正アクセスを防止するための必要な安全措置を講じる必要があります。
III. システムソフトウェア設計
(1) 故障負荷特性のシミュレーションモデリング
変電所リレー保護故障情報検出システムの核心は、ソフトウェア構造設計、特に静的および動的負荷モデルの構築にあります。これらのモデルは、システム運転中の負荷の有効電力と無効電力、および電圧と周波数の緩慢な変化を記述することを目的としており、通常は多項式モデルで表現されます。静的負荷モデルは通常、以下のように表現されます：
ここでPとQはそれぞれ有効電力と無効電力を表し、Vは電圧を表します。P0、Q0、V0は基準状態の値であり、nとmは負荷特性係数です。
動的負荷モデルは比較的複雑で、電圧と周波数の変化に対する負荷の動的応答を考慮し、負荷の電圧および周波数変化への応答速度をシミュレートするための複数の時間定数を含みます。動的負荷モデルは、負荷電力の時間変化率を記述する一連の微分方程式で表現されます。
ソフトウェア構造設計では、これらのモデルがリレー保護故障情報検出システムに統合され、変電所の運転状態をリアルタイムで監視および分析します。システムは電流、電圧、電力などのリアルタイムデータを収集し、これらのモデルを使用して計算を行い、潜在的な故障状況を科学的に識別します。
(2) 故障情報収集
リレー保護装置の信頼性を確保するためには、故障情報検出システムの設計が特に重要であり、特に故障情報収集部分が重要です。この部分は通常、定常情報収集、過渡情報収集、および状態ファイル管理の三つのモジュールに分けられます。
定常情報収集モジュールは主に、変電所の通常運転中の電気パラメータ（電圧、電流、電力など）の収集を担当します。これらのデータは、電力網の運転状態評価の基礎であり、故障分析と予測にも重要です。このモジュールには通常、データ収集、データ処理、データ保存の三つのサブモジュールが含まれます。データ収集サブモジュールは、変電所監視システムとのインターフェースを通じてリアルタイムで電気パラメータを取得します。データ処理サブモジュールは収集されたデータの初步的な分析を行い、異常値を取り除き、データをフォーマットします。データ保存サブモジュールは、処理されたデータをデータベースに保存し、後続の分析に備えます。
過渡情報収集モジュールは、電力網内の過渡事象（短絡、開路などの故障）のキャプチャに焦点を当てています。これらの過渡事象はしばしば電気パラメータの急激な変化を伴うため、高速で高精度なデータ収集設備が必要です。このモジュールには通常、高速データ収集、過渡事象識別、イベントデータ保存の三つのサブモジュールが含まれます。高速データ収集サブモジュールは、ミクロン秒レベルの分解能で電気パラメータの変化を記録します。過渡事象識別サブモジュールは、プリセットアルゴリズムに基づいて故障が発生したかどうかを判定し、故障タイプを正確に識別します。イベントデータ保存サブモジュールは、識別された故障情報を特定のデータベースに保存し、スタッフによる詳細な分析に資します。
状態ファイル管理モジュールは、変電所リレー保護装置の状態ファイルの管理と維持を担当し、保護装置の設定詳細、運転状態、歴史的な故障記録などの重要な情報を詳細に記録します。主に生成、更新、照会、バックアップの四つのサブモジュールで構成されています。生成サブモジュールは、保護装置の実際の設定に基づいて初期状態ファイルを生成します。更新サブモジュールは、装置のパラメータまたは設定が変更されたときに状態ファイルを更新します。照会サブモジュールはユーザーが状態ファイルの情報を照会できるようにします。バックアップサブモジュールは定期的に状態ファイルをバックアップし、データの損失を効果的に回避します。
(3) 故障情報検出
ステーション制御層がリレー保護から「Aライン統合ネットワーク接続エラー」の警告情報を受信した場合、システムは直ちに故障情報検出プロセスを開始し、この警告が唯一の情報源であるかどうかを確認する必要があります。つまり、他の装置が同様の警告を発していないかを確認します。この例では、他の装置が警告を発していない場合、システムは「Aライン統合ネットワーク接続エラー」の情報に注目します。
故障情報をより効果的に処理および分析するため、システムは五つの仮想端子と故障ノードの組み合わせを設計しています（表1参照）。
各仮想端子は、ネットワーク接続状態の監視から解決策の提供まで異なるタスクを担当し、完全な故障処理プロセスを形成します。上記のソフトウェア構造設計により、変電所リレー保護故障情報検出システムは故障情報を効果的に検出し、変電所の安全な運転を確保することができます。特に「Aライン統合ネットワーク接続エラー」の警告を受けた場合、システムは迅速に対応し、対応措置を講じることで電力システムへの故障の影響を最小限に抑えることができます。
IV. 実験検証
(1) ネットワークトポロジー構造
2023年に運用開始された500 kV変電所のリレー保護故障情報検出システムのネットワークトポロジー構造設計は、高い信頼性、可用性、および保守性という核心原則に厳格に従っています。このシステムは階層的かつ分散型のネットワークアーキテクチャを採用しており、その実施ステップは整然としており、主に以下のリンクを含んでいます。
データ収集：変電所の各種主要ノードに設置されたセンサーとデータ収集デバイスを通じて、リレー保護装置の運転データをリアルタイムで収集します。
データ伝送：ネットワーク通信技術を使用して、収集されたデータをタイムリーかつ正確にデータ処理センターに伝送します。
データ分析：データ処理センターでは、高性能コンピュータと専門的な分析ソフトウェアを使用してデータを分析し、異常パターンと潜在的な故障を識別します。
故障診断：異常が検出されると、システムは自動的に故障診断を行い、故障の種類と位置を確定します。
警報と対応：システムは警報システムを通じて運転・保守担当者に故障情報を通知し、初期の故障対処提案を行います。
故障処理：運転・保守担当者は、システムによって提供される故障情報と提案に基づいて迅速に措置を講じ、電力網の安定運転を確保することができます。
(2) 実験結果と分析
実験では二つの検出システムを使用しました。一つはSCDファイルに基づく従来の変電所リレー保護二次回路オンライン検出システム、もう一つは時空間解析に基づく変電所リレー保護故障情報検出システムです。両システムは同じ変電所環境でテストされ、結果の比較可能性が確保されました[8]。
実験データによると、SCDファイルに基づく検出システムで測定された正負母線の最大絶縁電圧はそれぞれ192.1 Vと191.4 Vでした。一方、時空間解析に基づく検出システムで測定された対応する値は190.3 Vと210.23 Vでした。具体的なデータは表2に示されています。
実験結果から、時空間解析に基づく検出システムは、正母線の最大絶縁電圧値がSCDファイルに基づく検出システムよりも若干低いものの、負母線の値は若干高いことがわかります。これは、時空間解析に基づく検出システムが特定の状況下でより正確な測定結果を提供できることを示しています。ただし、この差は大きくありません。したがって、これらの二つのシステムの性能差をより深く理解するためには、大量の実験データの収集と分析が必要かもしれません。
V. 結論
本論文で設計・研究した新しい変電所リレー保護故障情報検出システムは、リレー保護装置の作業状態をリアルタイムで監視し、故障情報を自動的に分析・診断し、ネットワーク通信技術を通じて迅速に運転・保守担当者に故障情報を伝送することができます。これにより、彼らは迅速な措置を講じ、故障の拡大を防ぎ、電力システムの安全かつ安定した運転を確保することができます。
