Il-Progett tal-Sistema ta' Id-Dettazzjoni tal-Infomazzjoni dwar l-Errog tal-Protezzjoni tal-Relè fl-Substation

I. Introduzzjoni

Fl-aħħar snin, bil-mosjoq mhux stoppat tal-ġmiem tal-elettriki, is-sottostazzjonijiet, bħal nodi moħtiegijiet fis-sistema tal-elettriki, jagħmlu ruħhom ħafna biex jżommu l-affidabilità ta’ l-ġmiem kollu permezz ta’ l-operazzjoni tagħhom sewwa u stabili. Il-protezzjoni reġolattra serġi l-ewwel linja ta’ difesa għal l-operazzjoni sewwa tas-sottostazzjonijiet. L-aċċurazzjoni u l-veloċità tal-protezzjoni reġolattra huma direttament relati magħmud il-stabbiltà tas-sistema tal-elettriku. Għalhekk, t-testjar effettivament l-informazzjoni dwar l-erġien tal-sistema tal-protezzjoni reġolattra tas-sottostazzjonijiet, l-identifikazzjoni u l-aċċessjoni opportuna tal-erġien potenzjal, huma importanti ħafna biex jisassodjaw l-operazzjoni sewwa tas-sistema tal-elettriku.

Il-modi tradizzjonali għal it-testjar tal-erġien tal-protezzjoni reġolattra kienu jdependu mill-inspezzjonijiet manwali u l-manutenzjoni regolari. Dawn il-modi ma kienux jibqa’ biss mħallfa u ftit effiċienti, iżda anki ma jiġux possibli li jippreżentaw it-testjar fl-istess waqt. B’dan il-motiv, kienu soġġetti għall-iskont minn segni erġa’. Bl-evoluzzjoni kontinwa tat-teknoloġija tal-informazzjoni, speċjalment tat-tqaddim fit-teknoloġiji tal-kompjuter u tal-komunikazzjoni, issa sистемы обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанций на основе современных информационных технологий начали использовать автоматизированные методы. С помощью сбора данных в реальном времени эти системы могут обеспечивать мониторинг состояния релейной защиты и быстро локализовать неисправности. Поэтому в данной работе предлагается система обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанции на основе современных информационных технологий, и подробно описываются ее аппаратная структура, программное обеспечение и экспериментальные результаты. II. Проектирование аппаратной структуры системы (1) Управляющий компьютер Проектирование управляющего компьютера напрямую влияет на производительность всей системы. Его аппаратная структура использует микроконтроллер C8051F040 в качестве центрального процессора. Микроконтроллер C8051F040 - это высокопроизводительный и низкоенергетический смешанный сигнал микроконтроллер, который интегрирует богатые периферийные ресурсы, включая аналоговые и цифровые порты ввода-вывода, таймеры/счетчики, UART, SPI и I2C коммуникационные интерфейсы, среди прочих. Эти характеристики делают C8051F040 идеальным центральным процессором для управляющего компьютера, способным удовлетворять требования к скоростной обработке данных и сложной логике управления. Для обеспечения возможности мониторинга в реальном времени в проектировании управляющего компьютера используется высокопроизводительная модуль мониторинга. Этот модуль обычно включает высокоскоростной АЦП (аналого-цифровой преобразователь), ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) и схемы мониторинга напряжения/тока. Он может собирать и преобразовывать электрические параметры в реальном времени, предоставляя точную поддержку данных для диагностики неисправностей. Кроме того, управляющий компьютер должен общаться с нижним компьютером и удаленным центром мониторинга. В конструкцию входят различные коммуникационные интерфейсы, такие как RS-232, RS-485 и Ethernet. Эти интерфейсы обеспечивают быструю передачу данных и возможность удаленного управления. Для удобства операторов в мониторинге и управлении системой, управляющий компьютер также оснащен интерфейсом человек-машина, обычно состоящим из ЖК-дисплея и клавиатуры. Операторы могут использовать эти интерфейсы для просмотра состояния системы в реальном времени. (2) Датчик контроля изоляции Для удовлетворения требований по модернизации постоянных систем старых электростанций и подстанций, сотрудники разработали высокоточный съемный датчик контроля изоляции. Используя передовые электронные технологии и материалы, этот датчик обладает высокой чувствительностью, высокой стабильностью и длительным сроком службы, и он может стабильно работать даже в суровых условиях. Высокая точность является ключевым показателем производительности датчика контроля изоляции. Используя передовые алгоритмы обнаружения и электронные компоненты, он может точно обнаруживать небольшие изменения изоляции, обеспечивая точность и своевременность информации о неисправностях. Обновление и модернизация теплоизоляционных устройств постоянных систем старых электростанций и подстанций, а также использование высокоточных съемных датчиков контроля изоляции, значительно повышают безопасность системы. Эти датчики обладают возможностью высокоточного обнаружения и могут своевременно выявлять неисправности изоляции, тем самым эффективно предотвращая возникновение аварий. (3) Модуль раннего обнаружения Для улучшения точности и скорости реакции ранних предупреждений, этот модуль обычно интегрирует двойной механизм активного и пассивного раннего обнаружения. Активное раннее обнаружение означает, что система самостоятельно обнаруживает электрические параметры. Как только параметры выходят за пределы нормального диапазона, немедленно генерируется сигнал раннего предупреждения. Активное раннее обнаружение обычно опирается на высокопроизводительные датчики и устройства сбора данных. Эти устройства могут в реальном времени мониторить ключевые параметры, такие как ток, напряжение и частота, и анализировать соответствующие данные с помощью встроенных алгоритмов, чтобы определить, есть ли потенциальные риски неисправностей. Пассивное раннее обнаружение, с другой стороны, включает анализ соответствующих электрических параметров и генерацию сигнала раннего предупреждения после получения внешних сигналов. Например, когда устройство релейной защиты на подстанции работает, модуль пассивного раннего обнаружения немедленно активируется, чтобы проанализировать причину работы и определить, требуются ли дополнительные меры, как показано на рисунке 1. Рисунок 1. Проектирование аппаратной структуры В проектировании аппаратной структуры модуля раннего обнаружения, сочетание активного и пассивного раннего обнаружения может значительно улучшить способность системы к раннему обнаружению и скорости реакции. Активное раннее обнаружение может в реальном времени мониторить электрические параметры и быстро выявлять потенциальные риски неисправностей; в то время как пассивное раннее обнаружение может быстро реагировать на конкретные события и проводить углубленный анализ причин неисправностей. Для эффективного сочетания этих двух методов раннего обнаружения, в проектировании аппаратуры необходимо учитывать следующие ключевые элементы: - Выбор датчиков и устройств сбора данных: Необходимо выбрать высокоточные датчики и устройства сбора данных, чтобы обеспечить точность данных. - Возможности обработки и анализа данных: Модуль раннего обнаружения должен обладать мощными возможностями обработки и анализа данных, чтобы быстро выявлять аномальные данные и делать выводы о ранних предупреждениях. - Коммуникационные интерфейсы и протоколы: Модуль должен поддерживать несколько коммуникационных интерфейсов и протоколов, чтобы облегчить обмен данными с другими системами или устройствами. - Надежность: Конструкция аппаратуры должна обеспечивать стабильную работу модуля в экстремальных условиях и применять необходимые меры безопасности, чтобы предотвратить ошибочное срабатывание и несанкционированный доступ. III. Проектирование программного обеспечения системы (1) Моделирование характеристик нагрузки при неисправностях Основа системы обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанции заключается в проектировании структуры программного обеспечения, особенно в построении статических и динамических моделей нагрузки. Эти модели предназначены для описания активной и реактивной мощности нагрузки во время работы системы, а также медленных изменений напряжения и частоты, и обычно выражаются с использованием полиномиальных моделей. Статическая модель нагрузки обычно выражается следующим образом: где P и Q представляют активную и реактивную мощность соответственно, V - напряжение, P0, Q0, V0 - значения в исходном состоянии, а n и m - коэффициенты характеристик нагрузки. Динамическая модель нагрузки более сложная. Она учитывает динамическую реакцию нагрузки на изменения напряжения и частоты, включая несколько временных констант, чтобы смоделировать скорость реакции нагрузки на изменения напряжения и частоты. Динамическая модель нагрузки может быть выражена серией дифференциальных уравнений, описывающих скорость изменения мощности нагрузки со временем. В проектировании структуры программного обеспечения эти модели интегрируются в систему обнаружения информации о неисправностях релейной защиты, чтобы в реальном времени мониторить и анализировать состояние работы подстанции. Система собирает данные в реальном времени, включая ток, напряжение, мощность и т.д., и использует эти модели для расчетов, чтобы научно идентифицировать потенциальные неисправности. (2) Сбор информации о неисправностях Для обеспечения надежности оборудования релейной защиты, проектирование системы обнаружения информации о неисправностях имеет особое значение, особенно часть, связанная со сбором информации о неисправностях. Эта часть обычно разделена на три модуля: сбор стационарной информации, сбор переходной информации и управление файлами состояния. Модуль сбора стационарной информации в основном отвечает за сбор электрических параметров подстанции во время нормальной работы, таких как напряжение, ток, мощность и т.д. Эти данные являются основой для оценки состояния работы сети и также важны для анализа и прогнозирования неисправностей. Этот модуль обычно включает три подмодуля: сбор данных, обработка данных и хранение данных. Подмодуль сбора данных получает электрические параметры в реальном времени через интерфейс с системой мониторинга подстанции; подмодуль обработки данных проводит предварительный анализ собранных данных, удаляет аномальные значения и форматирует данные; подмодуль хранения данных сохраняет обработанные данные в базе данных для последующего анализа. Модуль сбора переходной информации сосредоточен на захвате переходных событий в сети, таких как короткие замыкания, обрывы и другие неисправности. Эти переходные события часто сопровождаются резкими изменениями электрических параметров, поэтому требуется оборудование для сбора данных с высокой скоростью и высокой точностью. Этот модуль обычно включает три подмодуля: высокоскоростной сбор данных, идентификация переходных событий и хранение данных событий. Подмодуль высокоскоростного сбора данных может записывать изменения электрических параметров с разрешением в микросекунды; подмодуль идентификации переходных событий определяет, произошла ли неисправность, и точно идентифицирует тип неисправности в соответствии с предустановленными алгоритмами; подмодуль хранения данных событий сохраняет идентифицированную информацию о неисправностях в специальной базе данных, что способствует глубокому анализу персоналом. Модуль управления файлами состояния отвечает за управление и обслуживание файлов состояния оборудования релейной защиты подстанции и детально записывает ключевую информацию, такую как конфигурационные детали, состояние работы и исторические записи о неисправностях защитного оборудования. Он в основном включает четыре подмодуля: создание файла состояния, обновление, запрос и резервное копирование. Подмодуль создания файла состояния генерирует начальный файл состояния в соответствии с фактической конфигурацией защитного оборудования; подмодуль обновления обновляет файл состояния, когда параметры или конфигурация оборудования изменяются; подмодуль запроса позволяет пользователям запрашивать информацию в файле состояния; подмодуль резервного копирования регулярно создает резервные копии файла состояния, чтобы эффективно избежать потери данных. (3) Обнаружение информации о неисправностях Когда уровень управления станцией получает сообщение тревоги "Ошибка объединенной сети линии A" от релейной защиты, система должна немедленно начать процесс обнаружения информации о неисправностях, чтобы подтвердить, является ли это сообщение единственным источником, то есть, выпустили ли другие устройства подобные сообщения. В этом примере, если другие устройства не выпускают сообщения, система будет сосредоточена на информации "Ошибка объединенной сети линии A". Для более эффективной обработки и анализа информации о неисправностях, система разработала пять комбинаций виртуальных терминалов и узлов неисправностей, как показано в таблице 1. Каждый виртуальный терминал выполняет разные задачи, от мониторинга состояния сетевого соединения до предоставления решений, образуя полный процесс обработки неисправностей. Благодаря вышеуказанному проектированию структуры программного обеспечения, система обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанции может эффективно обнаруживать информацию о неисправностях и обеспечивать безопасную работу подстанции. Особенно, когда получено сообщение тревоги "Ошибка объединенной сети линии A", система может быстро отреагировать и принять соответствующие меры, чтобы минимизировать влияние неисправности на систему электроснабжения. IV. Экспериментальная проверка (1) Структура сети Структура сети системы обнародования информации о неисправностях релейной защиты подстанции напряжением 500 кВ, введенной в эксплуатацию в 2023 году, строго следует основным принципам высокой надежности, высокой доступности и легкости обслуживания. Эта система использует иерархическую и распределенную сетевую архитектуру, и ее реализация организована, в основном, включая следующие этапы. - Сбор данных: С помощью датчиков и устройств сбора данных, установленных на различных ключевых узлах подстанции, в реальном времени собираются данные о работе устройств релейной защиты. - Передача данных: С использованием сетевых коммуникационных технологий, собранные данные передаются в центр обработки данных своевременно и точно. - Анализ данных: В центре обработки данных используются высокопроизводительные компьютеры и профессиональное программное обеспечение для анализа данных, выявления аномальных шаблонов и потенциальных неисправностей. - Диагностика неисправностей: При обнаружении аномалии система автоматически проводит диагностику неисправностей, чтобы определить тип и местоположение неисправности. - Тревога и реакция: Система уведомляет персонал по эксплуатации и обслуживанию о информации о неисправности через систему тревоги и предоставляет предварительные рекомендации по устранению неисправности. - Устранение неисправностей: Персонал по эксплуатации и обслуживанию может быстро принять меры по устранению неисправности на основе информации и рекомендаций, предоставленных системой, тем самым обеспечивая стабильную работу сети. (2) Экспериментальные результаты и анализ В эксперименте использовались две системы обнаружения: одна - традиционная система онлайн-обнаружения вторичных цепей релейной защиты подстанции на основе файла SCD, другая - система обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанции на основе пространственно-временного анализа. Обе системы были протестированы в одной и той же среде подстанции, чтобы обеспечить сопоставимость результатов [8]. Экспериментальные данные показывают, что максимальные изоляционные напряжения положительной и отрицательной шин, измеренные системой на основе файла SCD, составили 192,1 В и 191,4 В соответственно, тогда как соответствующие значения, измеренные системой на основе пространственно-временного анализа, составили 190,3 В и 210,23 В соответственно. Конкретные данные представлены в таблице 2. Из экспериментальных результатов видно, что система на основе пространственно-временного анализа имеет немного меньшее значение максимального изоляционного напряжения для положительной шины по сравнению с системой на основе файла SCD, но немного большее значение для отрицательной шины. Это указывает на то, что система на основе пространственно-временного анализа может обеспечить более точные результаты измерений в определенных ситуациях. Однако эта разница не значительна. Поэтому, чтобы получить более глубокое понимание различий в производительности этих двух систем, возможно, потребуется дальнейший сбор и анализ большого количества экспериментальных данных. V. Заключение Новая система обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанции, разработанная и исследованная в данной работе, может в реальном времени мониторить состояние работы устройств релейной защиты, автоматически анализировать и диагностировать информацию о неисправностях, и своевременно передавать информацию о неисправностях персоналу по эксплуатации и обслуживанию с помощью сетевых коммуникационных технологий. Это позволяет им принимать своевременные меры, чтобы предотвратить распространение неисправностей и обеспечить безопасную и стабильную работу системы электроснабжения.