Reka Bentuk Sistem Pengesanan Maklumat Kerosakan Perlindungan Rangkaian Substesen

I. Pengenalan

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan peningkatan berterusan skala grid elektrik, stesen transformasi, sebagai nod penting dalam sistem kuasa, memainkan peranan vital dalam memastikan kebolehpercayaan seluruh grid kuasa melalui operasi yang selamat dan stabil. Perlindungan rele bertindak sebagai garisan pertahanan pertama untuk operasi yang selamat di stesen transformasi. Ketepatan dan kelajuan perlindungan rele berkaitan langsung dengan kestabilan sistem kuasa. Oleh itu, mendeteksi maklumat kesalahan sistem perlindungan rele stesen transformasi secara efektif, mengenal pasti dan menangani potensi kesalahan dengan segera, sangat penting bagi melindungi operasi yang selamat sistem kuasa.

Kaedah tradisional untuk mendeteksi kesalahan perlindungan rele kebanyakannya bergantung pada pemeriksaan manual dan penyelenggaraan berkala. Kaedah-kaedah ini tidak hanya memakan masa dan tenaga, tetapi juga tidak dapat mencapai pemantauan masa nyata. Akibatnya, mereka cenderung untuk melepaskan isyarat awal kesalahan. Dengan perkembangan berterusan teknologi maklumat, terutamanya kemajuan dalam teknologi komputer dan komunikasi, sistem deteksi maklumat kesalahan perlindungan rele stesen transformasi moden telah mula mengamalkan kaedah-kaedah automatik. Melalui pengumpulan data masa nyata, sistem-sistem ini boleh mencapai pemantauan masa nyata status perlindungan rele dan mengesahkan lokasi kesalahan dengan cepat.

Oleh itu, kertas kerja ini mencadangkan sistem deteksi maklumat kesalahan perlindungan rele stesen transformasi berdasarkan teknologi maklumat moden dan menjelaskan secara terperinci struktur keras, reka bentuk perisian, dan hasil eksperimen.

II. Reka Bentuk Struktur Keras Sistem
(1) Komputer Utama

Reka bentuk komputer utama memberi kesan langsung kepada prestasi seluruh sistem. Struktur kerasnya menggunakan mikrokomputer C8051F040 sebagai pemproses inti. Mikrokomputer C8051F040 adalah mikrokontroler campuran sinyal berprestasi tinggi dan rendah daya yang mengintegrasikan sumber luaran yang melimpah, termasuk port I/O analog dan digital, timer/penghitung, UART, SPI, dan antara muka komunikasi I2C, antara lain. Ciri-ciri ini membuat C8051F040 sangat sesuai sebagai pemproses inti komputer utama, mampu memenuhi keperluan pemrosesan data berkelajuan tinggi dan logik kawalan kompleks.

Untuk memastikan keupayaan pemantauan masa nyata sistem, unit pemantauan berprestasi tinggi digunakan dalam reka bentuk komputer utama. Unit ini biasanya termasuk ADC (Analog-to-Digital Converter) berkelajuan tinggi, DAC (Digital-to-Analog Converter), serta litar pemantauan voltan/arus. Ia boleh mengumpul dan menukar parameter elektrik secara masa nyata, menyediakan sokongan data yang tepat untuk diagnosis kesalahan.

Sementara itu, komputer utama perlu berkomunikasi dengan komputer bawah dan pusat pemantauan jarak jauh. Reka bentuknya menggabungkan pelbagai antara muka komunikasi, seperti RS-232, RS-485, dan Ethernet. Antara muka-antara muka ini memastikan penghantaran data yang cepat dan keupayaan kawalan jarak jauh.

Untuk memudahkan pengendali dalam memantau dan mengawal sistem, komputer utama juga dilengkapi dengan antara muka interaksi manusia-mesin, biasanya terdiri daripada skrin paparan LCD dan papan kekunci. Pengendali boleh menggunakan antara muka-antara muka ini untuk melihat status sistem secara masa nyata.

(2) Sensor Deteksi Isolasi

Untuk memenuhi keperluan pembaharuan sistem DC di loji penjanaan lama dan stesen transformasi, staf telah merancang sensor deteksi isolasi bongkar pasang berketepatan tinggi. Menggunakan teknologi elektronik dan bahan-bahan canggih, sensor ini mempunyai sensitiviti tinggi, kestabilan tinggi, dan tempoh hidup yang panjang, dan boleh beroperasi dengan stabil walaupun dalam persekitaran yang sukar.

Ketepatan tinggi adalah penunjuk prestasi utama sensor deteksi isolasi. Dengan menggunakan algoritma deteksi canggih dan komponen elektronik, ia boleh mengesan perubahan isolasi yang kecil, memastikan ketepatan dan kewujudan tepat maklumat kesalahan.

Dengan meningkatkan dan membaharui peranti isolasi sistem DC di loji penjanaan lama dan stesen transformasi, serta menggunakan sensor deteksi isolasi bongkar pasang berketepatan tinggi, keselamatan sistem boleh ditingkatkan secara signifikan. Sensor-sensor ini mempunyai keupayaan deteksi berketepatan tinggi dan boleh mengesan kesalahan isolasi dengan segera, seterusnya mencegah berlakunya kemalangan.

(3) Modul Deteksi Amaran Awal

Untuk meningkatkan ketepatan dan kelajuan tindak balas amaran awal, modul ini biasanya mengintegrasikan mekanisme ganda amaran awal aktif dan pasif.

Amaran awal aktif merujuk kepada deteksi proaktif sistem terhadap parameter elektrik. Begitu sahaja parameter tersebut menyimpang dari julat normal, isyarat amaran awal akan segera diaktifkan. Amaran awal aktif biasanya bergantung pada sensor dan peranti pengumpulan data berprestasi tinggi. Peranti-peranti ini boleh memantau parameter kunci seperti arus, voltan, dan frekuensi secara masa nyata dan menganalisis data yang berkaitan melalui algoritma binaan untuk menentukan sama ada terdapat risiko kesalahan potensial. Sebaliknya, amaran awal pasif melibatkan analisis parameter elektrik yang berkaitan dan mengeluarkan isyarat amaran awal selepas sistem menerima isyarat luaran. Sebagai contoh, apabila peranti perlindungan rele di stesen transformasi beroperasi, modul amaran awal pasif akan segera diaktifkan untuk menganalisis sebab operasi dan menentukan sama ada langkah-langkah pemprosesan lanjut diperlukan, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1 Reka Bentuk Struktur Keras

Dalam reka bentuk struktur keras modul deteksi amaran awal, menggabungkan amaran awal aktif dan pasif boleh meningkatkan keupayaan amaran awal dan kelajuan tindak balas sistem secara signifikan. Amaran awal aktif boleh memantau parameter elektrik secara masa nyata dan mengenal pasti risiko kesalahan potensial dengan cepat; manakala amaran awal pasif boleh bertindak balas dengan segera apabila peristiwa tertentu berlaku dan menganalisis sebab-sebab kesalahan dengan mendalam.

Untuk menggabungkan kedua-dua kaedah amaran awal ini secara efektif, elemen-elemen utama berikut perlu dipertimbangkan dalam reka bentuk keras:

• Pilihan sensor dan peranti pengumpulan data: Sensor dan peranti pengumpulan data berketepatan tinggi mesti dipilih untuk memastikan ketepatan data.

• Keupayaan pemprosesan dan analisis data: Modul pemantauan amaran awal harus mempunyai keupayaan pemprosesan dan analisis data yang kuat untuk mengenal pasti data abnormal dengan cepat dan membuat keputusan amaran awal.

• Antara muka komunikasi dan protokol: Modul harus menyokong pelbagai antara muka komunikasi dan protokol untuk memudahkan pertukaran data dengan sistem atau peranti lain.

• Kebolehpercayaan: Reka bentuk keras harus memastikan bahawa modul boleh beroperasi dengan stabil dalam persekitaran ekstrem dan mengambil langkah-langkah keselamatan yang perlu untuk mencegah operasi salah dan akses tidak sah.

III. Reka Bentuk Perisian Sistem
(1) Pemodelan Simulasi Ciri Beban Kesalahan

Inti sistem deteksi maklumat kesalahan perlindungan rele stesen transformasi terletak pada reka bentuk struktur perisian, terutamanya pembinaan model beban statik dan dinamik. Model-model ini bertujuan untuk menerangkan daya aktif dan reaktif beban semasa operasi sistem, serta perubahan perlahan voltan dan frekuensi, dan biasanya dinyatakan menggunakan model polinomial. Model beban statik biasanya dinyatakan sebagai:

di mana P dan Q mewakili daya aktif dan reaktif masing-masing, V adalah voltan, P0, Q0, V0 adalah nilai dalam keadaan rujukan, dan n dan m adalah pekali ciri beban.

Model beban dinamik agak rumit. Ia mempertimbangkan respons dinamik beban terhadap perubahan voltan dan frekuensi, termasuk pelbagai pemalar masa untuk mensimulasikan laju respons beban terhadap perubahan voltan dan frekuensi. Model beban dinamik boleh dinyatakan sebagai siri persamaan pembezaan yang menerangkan kadar perubahan daya beban sepanjang masa.

Dalam reka bentuk struktur perisian, model-model ini diintegrasikan ke dalam sistem deteksi maklumat kesalahan perlindungan rele untuk memantau dan menganalisis status operasi stesen transformasi secara masa nyata. Sistem mengumpul data masa nyata, termasuk arus, voltan, daya, dan lain-lain, dan menggunakan model-model ini untuk pengiraan secara saintifik untuk mengenal pasti keadaan kesalahan potensial.

(2) Pengumpulan Maklumat Kesalahan

Untuk memastikan kebolehpercayaan peralatan perlindungan rele, reka bentuk sistem deteksi maklumat kesalahan sangat penting, terutamanya bahagian pengumpulan maklumat kesalahan. Bahagian ini biasanya dibahagikan kepada tiga modul: pengumpulan maklumat keadaan stabil, pengumpulan maklumat transien, dan pengurusan fail status.

Modul pengumpulan maklumat keadaan stabil bertanggungjawab untuk mengumpul parameter elektrik stesen transformasi semasa operasi normal, seperti voltan, arus, daya, dan lain-lain. Data-data ini adalah asas untuk menilai status operasi grid kuasa dan juga penting untuk analisis dan ramalan kesalahan. Modul ini biasanya termasuk tiga sub-modul: pengumpulan data, pemprosesan data, dan penyimpanan data. Sub-modul pengumpulan data mendapatkan parameter elektrik secara masa nyata melalui antara muka dengan sistem pemantauan stesen transformasi; sub-modul pemprosesan data melakukan analisis awal pada data yang dikumpulkan, menghapus nilai abnormal, dan memformat data; sub-modul penyimpanan data menyimpan data yang telah diproses dalam pangkalan data untuk analisis seterusnya.

Modul pengumpulan maklumat transien fokus pada pencapturean peristiwa transien dalam grid kuasa, seperti hubungan pendek, putus-putus, dan kesalahan lain. Peristiwa transien ini sering disertai oleh perubahan tiba-tiba parameter elektrik, jadi peralatan pengumpulan data berkelajuan tinggi dan berketepatan tinggi diperlukan. Modul ini biasanya termasuk tiga sub-modul: pengumpulan data berkelajuan tinggi, pengenalpastian peristiwa transien, dan penyimpanan data peristiwa. Sub-modul pengumpulan data berkelajuan tinggi boleh merekod perubahan parameter elektrik dengan resolusi mikrosekon; sub-modul pengenalpastian peristiwa transien menilai sama ada kesalahan telah berlaku dan mengenal pasti jenis kesalahan dengan tepat mengikut algoritma yang ditetapkan; sub-modul penyimpanan data peristiwa menyimpan maklumat kesalahan yang dikenal pasti dalam pangkalan data tertentu, yang memudahkan analisis mendalam oleh staf.

Modul pengurusan fail status bertanggungjawab untuk pengurusan dan pemeliharaan fail status peralatan perlindungan rele stesen transformasi, dan ia merakam maklumat penting seperti butiran konfigurasi, status operasi, dan rekod kesalahan historikal peralatan perlindungan. Ia terutamanya merangkumi empat sub-modul: penjanaan fail status, kemas kini, query, dan sandaran. Sub-modul penjanaan menghasilkan fail status awal mengikut konfigurasi sebenar peralatan perlindungan; sub-modul kemas kini mengemaskini fail status apabila parameter atau konfigurasi peralatan berubah; sub-modul query membolehkan pengguna mengquery maklumat dalam fail status; sub-modul sandaran menyandarkan fail status secara berkala untuk mengelakkan kehilangan data secara berkesan.

(3) Deteksi Maklumat Kesalahan

Apabila lapisan kawalan stesen menerima maklumat amaran "kesalahan sambungan rangkaian bersatu A" dari perlindungan rele, sistem harus segera memulakan proses deteksi maklumat kesalahan untuk mengesahkan sama ada amaran ini adalah sumber tunggal, iaitu sama ada peralatan lain juga mengeluarkan amaran yang serupa. Dalam contoh ini, jika peralatan lain tidak mengeluarkan amaran, sistem akan menumpukan pada maklumat "kesalahan sambungan rangkaian bersatu A".

Untuk memproses dan menganalisis maklumat kesalahan dengan lebih efektif, sistem merancang lima kombinasi terminal maya dan nod kesalahan, seperti ditunjukkan dalam Jadual 1.

Setiap terminal maya bertanggungjawab atas tugas yang berbeza, dari memantau status sambungan rangkaian hingga memberikan penyelesaian, membentuk proses penanganan kesalahan yang lengkap. Melalui reka bentuk struktur perisian di atas, sistem deteksi maklumat kesalahan perlindungan rele stesen transformasi boleh mengesan maklumat kesalahan secara efektif dan memastikan operasi yang selamat stesen transformasi. Terutamanya apabila menerima amaran "kesalahan sambungan rangkaian bersatu A", sistem boleh bertindak balas dengan cepat dan mengambil langkah-langkah yang sesuai untuk mengurangkan impak kesalahan terhadap sistem kuasa.

IV. Pengesahan Eksperimen
(1) Struktur Topologi Rangkaian

Reka bentuk struktur topologi rangkaian sistem deteksi maklumat kesalahan perlindungan rele untuk stesen transformasi 500 kV yang dimulakan pada tahun 2023 ketat mengikuti prinsip-prinsip inti kebolehpercayaan tinggi, kebolehcapaian tinggi, dan mudah pemeliharaan. Sistem ini menggunakan arsitektur rangkaian bertingkat dan teragih, dan langkah-langkah pelaksanaannya teratur, terutamanya merangkumi tautan-berikut.

• Pengumpulan data: Melalui sensor dan peranti pengumpulan data yang dipasang di pelbagai nod kunci stesen transformasi, data operasi peralatan perlindungan rele dikumpulkan secara masa nyata.

• Penghantaran data: Menggunakan teknologi komunikasi rangkaian, data yang dikumpulkan dihantar dengan tepat dan tepat waktu ke pusat pemprosesan data.

• Analisis data: Di pusat pemprosesan data, komputer berprestasi tinggi dan perisian analisis profesional digunakan untuk menganalisis data, mengenal pasti corak abnormal dan kesalahan potensial.

• Diagnosis kesalahan: Begitu sahaja anormaliti dikesan, sistem secara automatik melakukan diagnosis kesalahan untuk menentukan jenis dan lokasi kesalahan.

• Amaran dan tindak balas: Sistem memberitahu kakitangan operasi dan pemeliharaan tentang maklumat kesalahan melalui sistem amaran dan memberikan cadangan penanganan kesalahan awal.

• Penanganan kesalahan: Kakitangan operasi dan pemeliharaan boleh mengambil langkah-langkah dengan cepat untuk menangani kesalahan berdasarkan maklumat dan cadangan yang diberikan oleh sistem, seterusnya memastikan operasi yang stabil grid kuasa.

(2) Keputusan Eksperimen dan Analisis

Dua sistem deteksi digunakan dalam eksperimen: satu adalah sistem deteksi litar sekunder perlindungan rele stesen transformasi berdasarkan fail SCD, dan yang lain adalah sistem deteksi maklumat kesalahan perlindungan rele stesen transformasi berdasarkan analisis ruang-waktu. Kedua-dua sistem diuji dalam persekitaran stesen transformasi yang sama untuk memastikan kebolehbandingan hasil [8].

Data eksperimen menunjukkan bahawa voltan isolasi maksimum bus positif dan negatif yang diukur oleh sistem deteksi berdasarkan fail SCD masing-masing adalah 192.1 V dan 191.4 V, manakala nilai-nilai yang bersesuaian yang diukur oleh sistem deteksi berdasarkan analisis ruang-waktu adalah 190.3 V dan 210.23 V. Data spesifik ditunjukkan dalam Jadual 2.

Dari hasil eksperimen, dapat dilihat bahawa sistem deteksi berdasarkan analisis ruang-waktu mempunyai nilai voltan isolasi maksimum yang sedikit lebih rendah untuk bus positif berbanding sistem deteksi berdasarkan fail SCD, tetapi sedikit lebih tinggi untuk bus negatif. Ini menunjukkan bahawa sistem deteksi berdasarkan analisis ruang-waktu boleh memberikan hasil pengukuran yang lebih tepat dalam situasi tertentu. Walau bagaimanapun, perbezaan ini tidak signifikan. Oleh itu, untuk memahami dengan lebih mendalam perbezaan prestasi antara kedua-dua sistem, mungkin diperlukan untuk mengumpul dan menganalisis jumlah besar data eksperimen.

V. Kesimpulan

Sistem deteksi maklumat kesalahan perlindungan rele stesen transformasi baru yang dirancang dan dikaji dalam kertas kerja ini boleh memantau status kerja peralatan perlindungan rele secara masa nyata, menganalisis dan mendiagnosis maklumat kesalahan secara automatik, dan menghantar maklumat kesalahan dengan segera kepada kakitangan operasi dan pemeliharaan melalui teknologi komunikasi rangkaian. Ini membolehkan mereka mengambil langkah-langkah dengan segera untuk mencegah penyebaran kesalahan dan memastikan operasi yang selamat dan stabil sistem kuasa.