Het Ontwerp van het Systeem voor het Detecteren van Foutinformatie van Relaisbescherming in Elektriciteitsstations
I. Inleiding
In de afgelopen jaren, met de voortdurende uitbreiding van het schaal van het elektriciteitsnet, spelen onderstations, als cruciale knooppunten in het energie-systeem, een vitale rol bij het waarborgen van de betrouwbaarheid van het gehele elektriciteitsnet door hun veilige en stabiele werking. Relaisbescherming dient als de eerste verdedigingslinie voor de veilige werking van onderstations. De nauwkeurigheid en snelheid van relaisbescherming staan direct in verband met de stabiliteit van het energie-systeem. Daarom is het effectief detecteren van foutinformatie van het relaisbeschermingssysteem van onderstations, het tijdig identificeren en aanpakken van potentiële fouten, van groot belang voor het waarborgen van de veilige werking van het energie-systeem.
Traditionele methoden voor het detecteren van relaisbeschermingsfouten zijn voornamelijk gebaseerd op handmatige inspecties en regelmatige onderhoudsactiviteiten. Deze methoden zijn niet alleen tijdrovend en arbeidsintensief, maar kunnen ook geen real-time monitoring bieden. Hierdoor lopen ze het risico om de vroege signalen van fouten te missen. Met de continue ontwikkeling van informatietechnologie, vooral de vooruitgang in computertechnologie en communicatietechnologie, hebben moderne substation relaisbescherming foutinformatiedetectiesystemen begonnen automatische methoden toe te passen. Door middel van real-time dataverzameling kunnen deze systemen real-time monitoring van de status van de relaisbescherming bereiken en snel fouten lokaliseren.
Daarom stelt dit artikel een substation relaisbescherming foutinformatiedetectiesysteem voor op basis van moderne informatietechnologie en gaat in detail in op de hardwarestructuur, softwareontwerp en experimentele resultaten.
II. Ontwerp van de systeemhardwarestructuur
(1) Hoofdcomputer
Het ontwerp van de hoofdcomputer beïnvloedt rechtstreeks de prestaties van het hele systeem. De hardwarestructuur maakt gebruik van de C8051F040 single-chip microprocessor als kernprocessor. De C8051F040 single-chip microprocessor is een high-performance en laag-energie mixed-signal microcontroller die rijke perifere bronnen integreert, waaronder analoge en digitale I/O-poorten, timer/tellers, UART, SPI en I2C-communicatieinterfaces, enzovoort. Deze kenmerken maken de C8051F040 zeer geschikt als kernprocessor van de hoofdcomputer, in staat om aan de eisen van high-speed dataverwerking en complexe controlelogica te voldoen.
Om de real-time monitoringcapaciteit van het systeem te waarborgen, wordt in het ontwerp van de hoofdcomputer een high-performance monitoringunit gebruikt. Deze unit bevat meestal een high-speed ADC (Analog-to-Digital Converter), DAC (Digital-to-Analog Converter), evenals spanning/stroom monitoringcircuits. Het kan elektrische parameters in real-time verzamelen en converteren, waardoor nauwkeurige data-ondersteuning wordt geboden voor foutdiagnose.
Tegelijkertijd moet de hoofdcomputer communiceren met de lagere computer en het remote monitoringcentrum. Het ontwerp omvat verschillende communicatieinterfaces, zoals RS-232, RS-485 en Ethernet. Deze interfaces zorgen voor snelle datatransmissie en de mogelijkheid tot remote controle.
Om de operatoren in staat te stellen het systeem te monitoren en te controleren, is de hoofdcomputer ook uitgerust met een mens-machine interactieinterface, meestal bestaande uit een LCD-scherm en een toetsenbord. Operatoren kunnen deze interfaces gebruiken om de systeemstatus in real-time te bekijken.
(2) Isolatiedetectiesensor
Om aan de renovatie-eisen van de DC-systemen in oude energiecentrales en onderstations te voldoen, heeft het personeel een hoogprecisie afneembare isolatiedetectiesensor ontworpen. Door gebruik te maken van geavanceerde elektronische technologieën en materialen, beschikt deze sensor over hoge sensitiviteit, hoge stabiliteit en een lange levensduur, en kan hij stabiel blijven werken zelfs in strenge omstandigheden.
Hoog precisie is een sleutelperformantie-indicator van de isolatiedetectiesensor. Door gebruik te maken van geavanceerde detectiealgoritmen en elektronische componenten, kan hij kleine isolatieveranderingen nauwkeurig detecteren, waardoor de nauwkeurigheid en tijdigheid van foutinformatie wordt gewaarborgd.
Door de thermische isolatiedevices van de DC-systemen in oude energiecentrales en onderstations te upgraden en te renoveren en gebruik te maken van hoogprecisie afneembare isolatiedetectiesensoren, kan de veiligheid van het systeem aanzienlijk worden verbeterd. Deze sensoren hebben de capaciteit om met hoge precisie te detecteren en kunnen isolatiefouten snel detecteren, waardoor de optreden van ongelukken effectief kan worden voorkomen.
(3) Vroegwaarschuwingdetectiemodule
Om de nauwkeurigheid en reactiesnelheid van vroegwaarschuwingen te verbeteren, integreert deze module meestal een dubbele mechanisme van actieve vroegwaarschuwing en passieve vroegwaarschuwing.
Actieve vroegwaarschuwing verwijst naar het proactieve detecteren van elektrische parameters door het systeem. Zodra de parameters afwijken van het normale bereik, wordt onmiddellijk een vroegwaarschuwingsignaal getriggerd. Actieve vroegwaarschuwingen zijn meestal afhankelijk van high-performance sensoren en dataverzamelapparatuur. Deze apparatuur kan belangrijke parameters zoals stroom, spanning en frequentie in real-time monitoren en de relevante gegevens analyseren via ingebouwde algoritmen om te bepalen of er potentieel foutrisico's zijn. Passieve vroegwaarschuwing daarentegen houdt in dat relevante elektrische parameters worden geanalyseerd en een vroegwaarschuwingsignaal wordt uitgegeven nadat het systeem externe signalen ontvangt. Bijvoorbeeld, wanneer de relaisbeschermingsapparatuur in het onderstation werkt, wordt de passieve vroegwaarschuwingmodule onmiddellijk geactiveerd om de oorzaak van de werking te analyseren en te bepalen of verdere verwerkingsmaatregelen nodig zijn, zoals weergegeven in figuur 1.
Figuur 1 Hardwarestructuurontwerp
In het hardwarestructuurontwerp van de vroegwaarschuwingdetectiemodule kan de combinatie van actieve vroegwaarschuwing en passieve vroegwaarschuwing de vroegwaarschuwingscapaciteit en reactiesnelheid van het systeem aanzienlijk verbeteren. Actieve vroegwaarschuwing kan elektrische parameters in real-time monitoren en potentiële foutrisico's snel identificeren; terwijl passieve vroegwaarschuwing snel kan reageren wanneer specifieke gebeurtenissen plaatsvinden en de oorzaken van de fout grondig analyseren.
Om deze twee vroegwaarschuwingsmethoden effectief te combineren, moeten de volgende sleutelelementen in het hardwareontwerp worden overwogen:
Selectie van sensoren en dataverzamelapparatuur: High-precision sensoren en dataverzamelapparatuur moeten worden geselecteerd om de nauwkeurigheid van de gegevens te waarborgen.
Gegevensverwerkings- en analysecapaciteiten: De vroegwaarschuwingmonitoringmodule moet krachtige gegevensverwerkings- en analysecapaciteiten hebben om abnormale gegevens snel te identificeren en vroegwaarschuwingsbeslissingen te nemen.
Communicatieinterfaces en protocollen: De module moet verschillende communicatieinterfaces en protocollen ondersteunen om gegevensuitwisseling met andere systemen of apparatuur te vergemakkelijken.
Betrouwbaarheid: Het hardwareontwerp moet ervoor zorgen dat de module stabiel kan werken in extreme omgevingen en noodzakelijke veiligheidsmaatregelen moet aannemen om misoperaties en ongeautoriseerde toegang te voorkomen.
III. Systeemsoftwareontwerp
(1) Simulatiemodellering van foutbelastingskenmerken
Het kern van het substation relaisbescherming foutinformatiedetectiesysteem ligt in het softwarestructuurontwerp, vooral de bouw van statische en dynamische belastingsmodellen. Deze modellen streven ernaar de actieve en reactieve vermogens van de belasting tijdens de systeemoperatie te beschrijven, evenals de langzame veranderingen in spanning en frequentie, en worden meestal weergegeven met behulp van polynomiale modellen. Het statische belastingsmodel wordt meestal weergegeven als:
waarbij P en Q respectievelijk de actieve en reactieve vermogens vertegenwoordigen, V de spanning is, P0, Q0, V0 de waarden in de referentiestaat zijn, en n en m de belastingskenmerkcoëfficiënten zijn.
Het dynamische belastingsmodel is relatief complex. Het neemt de dynamische respons van de belasting op veranderingen in spanning en frequentie in acht, inclusief meerdere tijdconstanten om de responssnelheid van de belasting op veranderingen in spanning en frequentie te simuleren. Het dynamische belastingsmodel kan worden weergegeven als een reeks differentiaalvergelijkingen die de snelheid van verandering van belastingsvermogen over de tijd beschrijven.
In het softwarestructuurontwerp worden deze modellen geïntegreerd in het relaisbescherming foutinformatiedetectiesysteem om de operatiestatus van het onderstation in real-time te monitoren en te analyseren. Het systeem verzamelt real-time gegevens, waaronder stroom, spanning, vermogen, enzovoort, en gebruikt deze modellen voor berekeningen om potentiele foutcondities wetenschappelijk te identificeren.
(2) Foutinformatieverzameling
Om de betrouwbaarheid van relaisbeschermingsapparatuur te waarborgen, is het ontwerp van het foutinformatiedetectiesysteem van bijzonder belang, vooral het deel van de foutinformatieverzameling. Dit deel wordt meestal verdeeld in drie modules: steady-state informatieverzameling, tijdelijke informatieverzameling en statusbestandsbeheer.
De steady-state informatieverzamelingsmodule is voornamelijk verantwoordelijk voor het verzamelen van de elektrische parameters van het onderstation tijdens normale bedrijfsomstandigheden, zoals spanning, stroom, vermogen, enzovoort. Deze gegevens vormen de basis voor het evalueren van de operatiestatus van het elektriciteitsnet en zijn ook belangrijk voor foutanalyse en -voorspelling. Deze module bevat meestal drie submodules: gegevensverzameling, gegevensverwerking en gegevensopslag. De gegevensverzamelingsubmodule verkrijgt elektrische parameters in real-time via de interface met het onderstation-monitoringsysteem; de gegevensverwerkingsubmodule voert een voorlopige analyse uit op de verzamelde gegevens, verwijdert afwijkende waarden en formateert de gegevens; de gegevensopslagsubmodule slaat de verwerkte gegevens op in een database voor latere analyse.
De tijdelijke informatieverzamelingsmodule richt zich op het vastleggen van tijdelijke gebeurtenissen in het elektriciteitsnet, zoals kortsluitingen, open circuits en andere fouten. Deze tijdelijke gebeurtenissen gaan vaak gepaard met scherpe veranderingen in elektrische parameters, dus is hoge snelheid en hoge precisie vereist. Deze module bevat meestal drie submodules: hoge snelheid gegevensverzameling, tijdelijke gebeurtenisidentificatie en gebeurtenisgegevensopslag. De hoge snelheid gegevensverzamelingsubmodule kan de veranderingen van elektrische parameters vastleggen met een microseconden-resolutie; de tijdelijke gebeurtenisidentificatiesubmodule beoordeelt of er een fout is opgetreden en identificeert de foute type nauwkeurig volgens vooraf ingestelde algoritmen; de gebeurtenisgegevensopslagsubmodule slaat de geïdentificeerde foutinformatie op in een specifieke database, wat bevorderlijk is voor gedetailleerde analyse door het personeel.
De statusbestandsbeheersmodule is verantwoordelijk voor het beheer en onderhoud van de statusbestanden van het substation relaisbeschermingsapparatuur, en registreert gedetailleerde informatie zoals configuratiedetails, operatiestatus en historische foutregisters van de beschermingsapparatuur. Het bevat voornamelijk vier submodules: statusbestandsgeneratie, update, query en back-up. De generatiesubmodule genereert een initiële statusbestand op basis van de werkelijke configuratie van de beschermingsapparatuur; de updatesubmodule werkt het statusbestand bij wanneer de apparaatparameters of -configuraties veranderen; de querysubmodule stelt gebruikers in staat om informatie in het statusbestand op te vragen; de back-upsubmodule maakt regelmatig back-ups van het statusbestand om effectief gegevensverlies te voorkomen.
(3) Foutinformatiedetectie
Wanneer de stationscontrolelaag het alarmbericht "A-line merged netwerkverbinding fout" ontvangt van de relaisbescherming, moet het systeem onmiddellijk het foutinformatiedetectieproces starten om te bevestigen of dit alarm de enige bron is, dat wil zeggen, of andere apparaten ook soortgelijke alarmen hebben afgegeven. In dit voorbeeld zal, als andere apparaten geen alarmen afgeven, het systeem zich richten op de informatie van "A-line merged netwerkverbinding fout".
Om foutinformatie meer effectief te verwerken en te analyseren, ontwerpt het systeem vijf combinaties van virtuele terminals en foutknopen, zoals weergegeven in Tabel 1.
Elke virtuele terminal is verantwoordelijk voor verschillende taken, van het monitoren van de netwerkverbindingstatus tot het verstrekken van oplossingen, waarmee een volledig foutafhandelingsproces wordt gevormd. Door bovenstaand softwarestructuurontwerp kan het substation relaisbescherming foutinformatiedetectiesysteem effectief foutinformatie detecteren en de veilige werking van het onderstation waarborgen. Vooral bij het ontvangen van het alarm "A-line merged netwerkverbinding fout" kan het systeem snel reageren en passende maatregelen nemen om de impact van de fout op het elektriciteitsnet te minimaliseren.
IV. Experimentele verificatie
(1) Netwerktopologische structuur
Het netwerktopologische structuurontwerp van het relaisbescherming foutinformatiedetectiesysteem voor de 500 kV onderstations die in 2023 in gebruik werden genomen, houdt strikt aan de kernprincipes van hoge betrouwbaarheid, hoge beschikbaarheid en gemakkelijk onderhoud. Dit systeem maakt gebruik van een hiërarchische en gedistribueerde netwerkarchitectuur, en de implementatiestappen zijn goed georganiseerd, waaronder voornamelijk de volgende links.
Gegevensverzameling: Via sensoren en gegevensverzamelapparatuur die op verschillende cruciale knooppunten van het onderstation zijn geïnstalleerd, worden de operatiegegevens van de relaisbeschermingsapparatuur in real-time verzameld.
Gegevensoverdracht: Met behulp van netwerkcommunicatietechnologie worden de verzamelde gegevens op tijd en nauwkeurig naar het gegevensverwerkingscentrum overgebracht.
Gegevensanalyse: In het gegevensverwerkingscentrum worden high-performance computers en professionele analysesoftware gebruikt om de gegevens te analyseren, afwijkende patronen en potentiële fouten te identificeren.
Foutdiagnose: Zodra een afwijking wordt gedetecteerd, voert het systeem automatisch foutdiagnose uit om het type en de locatie van de fout te bepalen.
Alarm en respons: Het systeem informeert het operationeel en onderhoudspersoneel over de foutinformatie via het alarmsysteem en geeft voorlopige foutafhandelingsaanbevelingen.
Foutafhandeling: Het operationeel en onderhoudspersoneel kan snel maatregelen nemen om de fout af te handelen op basis van de foutinformatie en aanbevelingen die door het systeem worden verstrekt, waardoor de stabiele werking van het elektriciteitsnet wordt gewaarborgd.
(2) Experimentele resultaten en analyse
Er werden twee detectiesystemen gebruikt in het experiment: één is het conventionele substation relaisbescherming secundaire circuit online detectiesysteem op basis van het SCD-bestand, en de ander is het substation relaisbescherming foutinformatiedetectiesysteem op basis van ruimtelijke-tijd-analyse. Beide systemen werden in dezelfde onderstationsomgeving getest om de vergelijkbaarheid van de resultaten te waarborgen [8].
De experimentele gegevens laten zien dat de maximale isolatiespanningen van de positieve en negatieve busbars die door het detectiesysteem op basis van het SCD-bestand zijn gemeten respectievelijk 192,1 V en 191,4 V zijn, terwijl de overeenkomstige waarden die door het detectiesysteem op basis van ruimtelijke-tijd-analyse zijn gemeten respectievelijk 190,3 V en 210,23 V zijn. De specifieke gegevens staan in Tabel 2.
Uit de experimentele resultaten blijkt dat het detectiesysteem op basis van ruimtelijke-tijd-analyse een iets lagere maximale isolatiespanningswaarde heeft voor de positieve busbar ten opzichte van het detectiesysteem op basis van het SCD-bestand, maar een iets hogere waarde voor de negatieve busbar. Dit wijst erop dat het detectiesysteem op basis van ruimtelijke-tijd-analyse in bepaalde situaties nauwkeuriger meetresultaten kan leveren. Echter, dit verschil is niet significant. Daarom, om een diepgaander inzicht te krijgen in de prestatieveranderingen tussen deze twee systemen, kan het nodig zijn om een grote hoeveelheid experimentele gegevens verder te verzamelen en te analyseren.
V. Conclusie
Het nieuwe substation relaisbescherming foutinformatiedetectiesysteem dat in dit artikel is ontworpen en bestudeerd, kan de werkingstatus van relaisbeschermingsapparatuur in real-time monitoren, foutinformatie automatisch analyseren en diagnosticeren, en de foutinformatie prompt naar operationeel en onderhoudspersoneel doorgeven via netwerkcommunicatietechnologie. Hierdoor kunnen zij spoedig maatregelen nemen om de uitbreiding van fouten te voorkomen en de veilige en stabiele werking van het elektriciteitsnet te waarborgen.
