Designen av understations relèbeskyttelsesfeilinformasjonssystem

I. Innledning

I de siste årene har den kontinuerlige utvidelsen av kraftnettets omfang ført til at transformasjonsstasjoner, som sentrale noder i strømsystemet, spiller en viktig rolle i sikring av høy pålitelighet for hele kraftnettet gjennom trygg og stabil drift. Relébeskyttelse fungerer som den første linjen av forsvar for trygg drift av transformasjonsstasjoner. Nøyaktigheten og raskheten til relébeskyttelsen er direkte knyttet til strømsystemets stabilitи此处似乎有误，我将按照指示继续翻译成挪威语，但请注意这里可能需要校对。

Nøyaktigheten og raskheten til relébeskyttelsen er direkte knyttet til strømsystemets stabilitет. Derfor er det av stor betydning å effektivt oppdage feilinformasjon i transformasjonsstasjonens relébeskyttelsessystem, hurtig identifisere og håndtere potensielle feil, for å sikre trygg drift av strømsystemet.

Tradisjonelle metoder for å oppdage relébeskyttelsesfeil baserer seg hovedsakelig på manuelle inspeksjoner og regelmessig vedlikehold. Disse metodene er ikke bare tidskrevende og arbeidskrevende, men kan også ikke oppnå sanntidsovervåking. Dette gjør at de er utsatt for å overse tidlige feilsignaler. Med den kontinuerlige utviklingen av informasjonsteknologi, spesielt fremskritt i datateknologi og kommunikasjonsteknologi, har moderne systemer for feilinformasjonsovervåking av transformasjonsstasjoners relébeskyttelse begynt å bruke automatiske metoder. Gjennom sanntidsdatainnsamling, kan disse systemene oppnå sanntidsovervåking av relébeskyttelsesstatus og hurtig lokalisering av feil.

Derfor foreslår denne artikkelen et system for feilinformasjonsovervåking av transformasjonsstasjoners relébeskyttelse basert på moderne informasjonsteknologi, og utfolder detaljert dens hardvarstrukturelle, programvaredesign og eksperimentelle resultater.

II. Design av Systemets Hardvarstruktur
(1) Hoveddatamaskin

Designet av hoveddatamaskinen påvirker direkte ytelsen til hele systemet. Dens hardvarstruktur bruker C8051F040 enhetskretsen som kjerneprosessor. C8051F040 enhetskretsen er en høyytelses- og lavenergimikset mikrokontroller som integrerer rike periferieressurser, inkludert analoge og digitale I/O-porter, timer/teller, UART, SPI og I2C-kommunikasjonsgrensesnitt, blant annet. Disse egenskapene gjør C8051F040 høygradig egnet som kjerneprosessor for hoveddatamaskinen, med evne til å møte kravene til høyhastighetsdatahåndtering og kompleks kontrolllogikk.

For å sikre systemets sanntidsovervåkingskapasitet, benyttes en høyytelsesovervåkingsenhet i designet av hoveddatamaskinen. Denne enheten inkluderer typisk en høyhastighets ADC (Analog-to-Digital Converter), DAC (Digital-to-Analog Converter), samt spenning/strømovervåkingskretser. Den kan samle inn og konvertere elektriske parametre sanntid, og gi nøyaktig datastøtte for feildiagnose.

Samtidig må hoveddatamaskinen kommunisere med underliggende datamaskiner og fjerntovervåkingsenter. Designet inkluderer ulike kommunikasjonsgrensesnitt, som RS-232, RS-485 og Ethernet. Disse grensesnittene sikrer rask dataoverføring og muligheten for fjernstyring.

For å forenkle operatørenes overvåking og kontroll av systemet, er hoveddatamaskinen også utstyrt med et menneske-maskininteraksjonsgrensesnitt, vanligvis bestående av en LCD-skjerm og et tastatur. Operatørene kan bruke disse grensesnittene til å se systemets status sanntid.

(2) Isolasjonsdeteksjonssensor

For å møte moderniseringsbehovene for DC-systemer i gamle kraftverk og transformasjonsstasjoner, har personale designet en høypræcis demontabel isolasjonsdeteksjonssensor. Ved å bruke avanserte elektroniske teknologier og materialer, har denne sensoren høy sensitivitet, høy stabilitet og lang levetid, og den kan operere stabilt selv i tøffe miljøer.

Høy præsision er en nøkkelytelseparameter for isolasjonsdeteksjonssensoren. Ved å bruke avanserte deteksjonsalgoritmer og elektroniske komponenter, kan den nøyaktig detektere små isolasjonsendringer, og sikre nøyaktigheten og aktuelheten av feilinformasjon.

Ved å oppgradere og modernisere termiske isolasjonsenheter i gamle kraftverks og transformasjonsstasjons DC-systemer, og ved å bruke høypræcise demontable isolasjonsdeteksjonssensore, kan systemets sikkerhet betydelig økes. Disse sensorer har kapasiteten til høypræcis deteksjon og kan hurtig oppdage isolasjonsfeil, og dermed effektivt forebygge ulykker.

(3) Tidlig varslingsdeteksjonsmodul

For å forbedre nøyaktigheten og responsen til tidlig varsling, inneholder dette modulen generelt en dobbel mekanisme for aktiv tidlig varsling og passiv tidlig varsling.

Aktiv tidlig varsling refererer til systemets proaktiv deteksjon av elektriske parametre. Når parametrene avviker fra det normale området, vil et tidlig varslingssignal umiddelbart utløses. Aktiv tidlig varsling bygger vanligvis på høyytelsessensorer og datainnsamlingsenheter. Disse enhetene kan overvåke nøkkelparametre som strøm, spenning og frekvens sanntid, og analysere relevant data gjennom innebygde algoritmer for å fastslå om det er potensielle feilrisikoer. Passiv tidlig varsling, derimot, involverer analyse av relevante elektriske parametre og utløser et tidlig varslingssignal etter at systemet mottar eksterne signaler. For eksempel, når relébeskyttelsesenheten i transformasjonsstasjonen opererer, vil passiv tidlig varsling modulen umiddelbart aktiveres for å analysere årsaken til operasjonen og fastslå om ytterligere behandlingsforanstaltninger er nødvendige, som vist i figur 1.

Figur 1 Hardvarstrukturdesign

I hardvarstrukturdesignet av tidlig-varsling-deteksjonsmodulen, kombinasjonen av aktiv tidlig varsling og passiv tidlig varsling kan betydelig forbedre systemets tidlig-varsling-evne og responstid. Aktiv tidlig varsling kan overvåke elektriske parametre sanntid og raskt identifisere potensielle feilrisikoer, mens passiv tidlig varsling kan reagere raskt når spesifikke hendelser inntreffer og foreta dypgående analyse av feilårsaker.

For å effektivt kombinere disse to tidlig-varslingsmetodene, må følgende nøkkellementer tas i betraktning i hardvardesignet:

• Utvalg av sensorer og datainnsamlingsenheter: Høypræcise sensorer og datainnsamlingsenheter må velges for å sikre dataakkuratheit.

• Dataprosessering og analysekapasiteter: Tidlig-varsling-overvåkingsmodulen bør ha kraftige dataprosessering og analysekapasiteter for å raskt identifisere anormale data og gjøre tidlig-varsling-vurderinger.

• Kommunikasjonsgrensesnitt og protokoller: Modulen bør støtte flere kommunikasjonsgrensesnitt og protokoller for å forenkle datautveksling med andre systemer eller enheter.

• Pålitelighet: Hardvardesignet bør sikre at modulen kan operere stabilt i ekstreme miljøer og ta i bruk nødvendige sikkerhetsforanstaltninger for å unngå misshandling og uautorisert tilgang.

III. Systemets Programvaredesign
(1) Simuleringsmodellering av Feillastegenskaper

Kjernen i transformasjonsstasjonens relébeskyttelsesfeilinformasjonsovervåkningssystem ligger i dens programvarestukturdesign, spesielt konstruksjonen av statiske og dynamiske lastmodeller. Disse modellene har som mål å beskrive den aktive og reaktive effekten av lasten under systemoperasjon, samt de trege endringene i spenning og frekvens, og uttrykkes vanligvis ved hjelp av polynommodeller. Den statiske lastmodellen uttrykkes vanligvis som:

der P og Q representerer den aktive og reaktive effekten henholdsvis, V er spenningen, P0, Q0, V0 er verdier i referansee tilstanden, og n og m er lastegenskapskoeffisienter.

Den dynamiske lastmodellen er mer kompleks. Den tar hensyn til den dynamiske responsen fra lasten på endringer i spenning og frekvens, inkludert flere tidskonstanter for å simulere responsen til lasten på endringer i spenning og frekvens. Den dynamiske lastmodellen kan uttrykkes som en rekke differensiallikninger som beskriver hastigheten til endringen av lasteffekt over tid.

I programvarestukturdesignet, blir disse modellene integrert i relébeskyttelsesfeilinformasjonsovervåkningssystemet for å overvåke og analysere transformasjonsstasjonens driftstatus sanntid. Systemet samler inn sanntidsdata, inkludert strøm, spenning, effekt, etc., og bruker disse modellene for beregninger for å identifisere potensielle feilkilder på en vitenskapelig måte.

(2) Innsamling av Feilinformasjon

For å sikre påliteligheten av relébeskyttelsesutstyr, er designet av feilinformasjonsovervåkningssystemet spesielt viktig, spesielt delen av innsamling av feilinformasjon. Denne delen er vanligvis delt inn i tre moduler: innsamling av stabiltilstandsinformasjon, innsamling av transiente informasjon, og statusfilbehandling.

Modulen for innsamling av stabiltilstandsinformasjon er hovedsakelig ansvarlig for å samle elektriske parametre fra transformasjonsstasjonen under normal drift, som spenning, strøm, effekt, etc. Disse dataene er grunnlaget for å evaluere strømsystemets driftstatus og er også viktige for feilanalyse og -prognose. Denne modulen inkluderer vanligvis tre undermoduler: datainnsamling, dataprosessering, og datalagring. Datainnsamlingsundermodulen henter elektriske parametre sanntid gjennom grensesnittet med transformasjonsstasjonens overvåkningssystem; dataprosesseringundermodulen utfører en foreløpig analyse av de innsamlede dataene, fjerner anormalverdier, og formaterer dataene; datalagringsundermodulen lagrer de prosesserte dataene i en database for senere analyse.

Modulen for innsamling av transiente informasjon fokuserer på å fange opp transiente hendelser i strømsystemet, som kortslutninger, åpne ledninger, og andre feil. Disse transiente hendelsene er ofte forbundet med skarpe endringer i elektriske parametre, så det kreves høyhastighets- og høypræcise datainnsamlingsutstyr. Denne modulen inkluderer vanligvis tre undermoduler: høyhastighetsdatainnsamling, identifisering av transiente hendelser, og lagring av hendelsedata. Høyhastighetsdatainnsamlingsundermodulen kan registrere endringene i elektriske parametre med mikrosekundsoppløsning; identifisering av transiente hendelser undermodulen avgjør om en feil har inntruffet og identifiserer feiltypen nøyaktig ifølge forhåndsinnstilte algoritmer; lagring av hendelsedata undermodulen lagrer den identifiserte feilinformasjonen i en spesifikk database, noe som er gunstig for dypgående analyse av personale.

Statusfilbehandlingsmodulen er ansvarlig for administrasjon og vedlikehold av statusfiler for transformasjonsstasjonens relébeskyttelsesutstyr, og den dokumenterer nøkkelinformasjon som konfigurasjonsdetaljer, driftsstatus, og historiske feilposter for beskyttelsesutstyret i detalj. Den inkluderer hovedsakelig fire undermoduler: generering av statusfiler, oppdatering, søk, og sikkerhetskopiering. Genereringsundermodulen genererer en initiell statusfil ifølge den faktiske konfigurasjonen av beskyttelsesutstyret; oppdateringsundermodulen oppdaterer statusfila når utstyrsparametre eller konfigurasjon endres; søkeundermodulen lar brukere søke etter informasjon i statusfila; sikkerhetskopieringsundermodulen sikkerhetskopierer statusfila regelbundet for å effektivt unngå tap av data.

(3) Deteksjon av Feilinformasjon

Når stasjonkontrollplanet mottar alarminformasjon "A-linje sammenslått nettverksforbindelsefeil" fra relébeskyttelsen, skal systemet umiddelbart starte feilinformasjonsovervåkingsprosessen for å bekrefte om denne alarmen er den eneste kilde, det vil si, om andre enheter også har sendt ut lignende alarmer. I dette eksemplet, hvis andre enheter ikke sender ut alarmer, vil systemet fokusere på informasjonen om "A-linje sammenslått nettverksforbindelsefeil".

For å behandle og analysere feilinformasjon mer effektivt, har systemet designet fem kombinasjoner av virtuelle terminaler og feilnoder, som vist i tabell 1.

Hver virtuell terminal er ansvarlig for ulike oppgaver, fra overvåking av nettverksforbindelsesstatus til å tilby løsninger, og danner en fullstendig feilhåndteringsprosess. Gjennom ovennevnte programvarestukturdesign, kan transformasjonsstasjonens relébeskyttelsesfeilinformasjonsovervåkningssystem effektivt oppdage feilinformasjon og sikre trygg drift av transformasjonsstasjonen. Spesielt når det mottas alarmen "A-linje sammenslått nettverksforbindelsefeil", kan systemet reagere raskt og ta forholdsregler for å minimere feilens innvirkning på strømsystemet.

IV. Eksperimentell Verifikasjon
(1) Nettverkstopologistruktur

Nettverkstopologistrukturen for relébeskyttelsesfeilinformasjonsovervåkningssystemet for 500 kV-transformasjonsstasjon som ble tatt i bruk i 2023, holder strengt til de sentrale prinsippene om høy pålitelighet, høy tilgjengelighet og lett vedlikehold. Dette systemet bruker en hierarkisk og distribuert nettverksarkitektur, og implementeringsstegene er godt organisert, hovedsakelig inkluderer følgende lenker.

• Datainnsamling: Gjennom sensorer og datainnsamlingsenheter installert ved ulike nøkkelpunkter i transformasjonsstasjonen, samles driftsdata fra relébeskyttelsesenheter sanntid.

• Dataoverføring: Ved hjelp av nettverkskommunikasjonsteknologi, overføres de innsamlede dataene til datahåndteringsenteret på en rask og nøyaktig måte.

• Dataanalyse: I datahåndteringsenteret, brukes høyytelsesdatamaskiner og profesjonell analyseprogramvare til å analysere dataene, identifisere anormale mønstre og potensielle feil.

• Feildiagnose: Når en anomali oppdages, utfører systemet automatisk feildiagnose for å fastslå feiltype og lokalitet.

• Alarm og respons: Systemet varsler drifts- og vedlikeholdsansatte om feilinformasjon gjennom alarmsystemet og gir forslag til forhåndsbehandling av feil.

• Feilhåndtering: Drifts- og vedlikeholdsansatte kan raskt ta forholdsregler for å håndtere feilen basert på feilinformasjonen og forslagene gitt av systemet, slik at de sikrer stabil drift av strømsystemet.

(2) Eksperimentelle Resultater og Analyse

To deteksjonssystemer ble brukt i eksperimentet: det ene er det tradisjonelle sekundære krets-on-line-deteksjonssystemet for transformasjonsstasjonens relébeskyttelse basert på SCD-filen, og det andre er det transformasjonsstasjonens relébeskyttelsesfeilinformasjonsovervåkningssystemet basert på rom-tid-analyse. Begge systemer ble testet i samme transformasjonsstasjonsmiljø for å sikre sammenlignbarheten av resultater [8].

Eksperimentelle data viser at maksimal isolasjonsspenning for positive og negative busser målt av deteksjonssystemet basert på SCD-filen er henholdsvis 192.1 V og 191.4 V, mens de tilsvarende verdiene målt av deteksjonssystemet basert på rom-tid-analyse er 190.3 V og 210.23 V henholdsvis. De spesifikke dataene er vist i tabell 2.

Fra eksperimentresultatene kan det ses at deteksjonssystemet basert på rom-tid-analyse har en litt lavere maksimal isolasjonsspenning for den positive bussen sammenlignet med deteksjonssystemet basert på SCD-filen, men en litt høyere verdi for den negative bussen. Dette indikerer at deteksjonssystemet basert på rom-tid-analyse kan gi mer nøyaktige måleresultater i visse situasjoner. Imidlertid er denne forskjellen ikke signifikant. Derfor, for å få en mer dypgående forståelse av yteforskjellene mellom disse to systemene, kan det være nødvendig å videre samle og analysere en stor mengde eksperimentelle data.

V. Konklusjon

Det nye transformasjonsstasjonens relébeskyttelsesfeilinformasjonsovervåkningssystem som er designet og studert i denne artikkelen, kan overvåke relébeskyttelsesenheters driftstatus sanntid, automatisk analysere og diagnostisere feilinformasjon, og raskt overføre feilinformasjon til drifts- og vedlikeholdsansatte gjennom nettverkskommunikasjonsteknologi. Dette lar dem ta raskt tiltak for å unngå feilens utbredelse og sikre trygg og stabil drift av strømsystemet.