Projekt systemu wykrywania informacji o awariach w zabezpieczeniach stacji transformatorowej
I. Wstęp
W ostatnich latach, wraz z ciągłym rozszerzaniem się skali sieci energetycznej, podstacje, jako kluczowe węzły systemu energetycznego, odgrywają kluczową rolę w zapewnianiu niezawodności całej sieci poprzez bezpieczne i stabilne działanie. Ochrona przekaźnikowa pełni funkcję pierwszej linii obrony dla bezpiecznego działania podstacji. Dokładność i szybkość ochrony przekaźnikowej są bezpośrednio związane ze stabilnością systemu energetycznego. Dlatego skuteczne wykrywanie informacji o awariach systemu ochrony przekaźnikowej podstacji, szybkie identyfikowanie i usuwanie potencjalnych usterek, ma duże znaczenie dla ochrony bezpiecznego działania systemu energetycznego.
Tradycyjne metody wykrywania usterek ochrony przekaźnikowej opierają się głównie na ręcznych inspekcjach i regularnym konserwacji. Te metody nie tylko są czasochłonne i pracochłonne, ale również nie pozwalają na osiągnięcie monitorowania w czasie rzeczywistym. W rezultacie łatwo przeoczyć wczesne sygnały awarii. Wraz z ciągłym rozwojem technologii informacyjnej, zwłaszcza postępów w dziedzinie technologii komputerowej i komunikacyjnej, nowoczesne systemy wykrywania informacji o awariach ochrony przekaźnikowej podstacji zaczęły stosować automatyczne metody. Poprzez zbieranie danych w czasie rzeczywistym, te systemy mogą osiągnąć monitorowanie w czasie rzeczywistym stanu ochrony przekaźnikowej i szybko zlokalizować usterki.
Dlatego niniejszy artykuł proponuje system wykrywania informacji o awariach ochrony przekaźnikowej podstacji oparty na nowoczesnej technologii informacyjnej i szczegółowo omawia jego strukturę sprzętową, projekt programowy oraz wyniki eksperymentów.
II. Projekt struktury sprzętowej systemu
(1) Komputer główny
Projekt komputera głównego bezpośrednio wpływa na wydajność całego systemu. Jego struktura sprzętowa używa mikrokontrolera C8051F040 jako rdzenia procesora. Mikrokontroler C8051F040 to wysokowydajny, niskonapędowy mikroprocesor mieszany, który integruje obfite zasoby obwodów peryferyjnych, w tym porty wejścia/wyjścia analogowe i cyfrowe, timery/liczniki, UART, SPI i interfejsy komunikacyjne I2C, itp. Te cechy sprawiają, że C8051F040 jest bardzo odpowiedni jako rdzeń procesora komputera głównego, zdolny do spełnienia wymagań dotyczących szybkiego przetwarzania danych i złożonej logiki sterującej.
Aby zapewnić zdolność monitorowania w czasie rzeczywistym systemu, w projekcie komputera głównego wykorzystano wysokowydajną jednostkę monitorującą. Ta jednostka zwykle obejmuje wysokoszybką ADC (konwerter analogowo-cyfrowy), DAC (konwerter cyfrowo-analogowy) oraz obwody monitorujące napięcie/prąd. Może ona zbierać i konwertować parametry elektryczne w czasie rzeczywistym, dostarczając dokładne dane do diagnostyki awarii.
Ponadto, komputer główny musi komunikować się z dolnym komputerem i centrum monitorowania zdalnego. Projekt obejmuje różne interfejsy komunikacyjne, takie jak RS-232, RS-485 i Ethernet. Te interfejsy zapewniają szybkie przesyłanie danych i możliwość sterowania na odległość.
Aby ułatwić operatorom monitorowanie i sterowanie systemem, komputer główny jest wyposażony w interfejs człowiek-maszyna, zazwyczaj składający się z wyświetlacza LCD i klawiatury. Operatorzy mogą używać tych interfejsów do oglądania stanu systemu w czasie rzeczywistym.
(2) Czujnik detekcji izolacji
Aby spełnić wymagania dotyczące modernizacji systemów DC starych elektrowni i podstacji, personel zaprojektował wysokoprecyzyjny, demontowalny czujnik detekcji izolacji. Wykorzystując zaawansowane technologie elektroniczne i materiały, ten czujnik charakteryzuje się wysoką wrażliwością, stabilnością i długim okresem użytkowania, a może działać stabilnie nawet w trudnych warunkach środowiskowych.
Wysoka precyzja jest kluczowym wskaźnikiem wydajności czujnika detekcji izolacji. Dzięki użyciu zaawansowanych algorytmów detekcji i elementów elektronicznych, może on dokładnie wykrywać drobne zmiany izolacji, zapewniając dokładność i aktualność informacji o awarii.
Przez modernizację i przebudowę urządzeń termicznych systemów DC starych elektrowni i podstacji oraz zastosowanie wysokoprecyzyjnych, demontowalnych czujników detekcji izolacji, bezpieczeństwo systemu można znacząco zwiększyć. Te czujniki mają zdolność wysokoprecyzyjnego wykrywania i mogą szybko wykrywać uszkodzenia izolacji, co efektywnie zapobiega wystąpieniu wypadków.
(3) Moduł detekcji wczesnego ostrzegania
Aby poprawić dokładność i szybkość reakcji wczesnych ostrzeżeń, ten moduł zazwyczaj integruje podwójny mechanizm aktywnego i pasywnego wczesnego ostrzegania.
Aktywne wczesne ostrzeganie oznacza, że system aktywnie wykrywa parametry elektryczne. Gdy parametry odbiegają od normalnego zakresu, natychmiast generowany jest sygnał wczesnego ostrzegania. Aktywne wczesne ostrzeganie zazwyczaj polega na użyciu wysokowydajnych czujników i urządzeń zbierania danych. Te urządzenia mogą monitorować kluczowe parametry, takie jak prąd, napięcie i częstotliwość, w czasie rzeczywistym i analizować odpowiednie dane przy użyciu wbudowanych algorytmów, aby określić, czy istnieją potencjalne ryzyka awaryjne. Pasywne wczesne ostrzeganie, z drugiej strony, polega na analizie odpowiednich parametrów elektrycznych i wydaniu sygnału wczesnego ostrzegania po otrzymaniu zewnętrznych sygnałów. Na przykład, gdy urządzenie ochrony przekaźnikowej w podstacji działa, moduł pasywnego wczesnego ostrzegania zostaje natychmiast aktywowany, aby przeanalizować przyczynę działania i określić, czy wymagane są dalsze środki zaradcze, jak pokazano na Rys. 1.
Rys. 1 Projekt struktury sprzętowej
W projekcie struktury sprzętowej modułu detekcji wczesnego ostrzegania, połączenie aktywnego i pasywnego wczesnego ostrzegania może znacząco zwiększyć zdolność wczesnego ostrzegania i szybkość reakcji systemu. Aktywne wczesne ostrzeganie może monitorować parametry elektryczne w czasie rzeczywistym i szybko identyfikować potencjalne ryzyka awaryjne, podczas gdy pasywne wczesne ostrzeganie może reagować szybko, gdy wystąpią określone zdarzenia, i prowadzić szczegółową analizę przyczyn awarii.
Aby skutecznie połączyć te dwie metody wczesnego ostrzegania, w projekcie sprzętowym należy uwzględnić następujące kluczowe elementy:
Wybór czujników i urządzeń zbierania danych: Należy wybrać wysokoprecyzyjne czujniki i urządzenia zbierania danych, aby zapewnić dokładność danych.
Możliwości przetwarzania i analizy danych: Moduł monitorujący wczesne ostrzeganie powinien posiadać mocne możliwości przetwarzania i analizy danych, aby szybko identyfikować anomalne dane i podejmować decyzje dotyczące wczesnego ostrzegania.
Interfejsy komunikacyjne i protokoły: Moduł powinien obsługiwać wiele interfejsów komunikacyjnych i protokołów, aby ułatwić wymianę danych z innymi systemami lub urządzeniami.
Niezawodność: Projekt sprzętowy powinien zapewnić, że moduł może działać stabilnie w ekstremalnych warunkach, i zastosować niezbędne środki bezpieczeństwa, aby zapobiec błędowi operacji i nieautoryzowanemu dostępowi.
III. Projekt programowy systemu
(1) Symulacja modelowania charakterystyk obciążeń awaryjnych
Kluczowa część systemu wykrywania informacji o awariach ochrony przekaźnikowej podstacji leży w projekcie struktury programowej, szczególnie w budowie statycznych i dynamicznych modeli obciążeń. Te modele mają na celu opisanie mocy czynnej i biernych obciążeń podczas działania systemu, jak również powolnych zmian napięcia i częstotliwości, i są zazwyczaj wyrażane za pomocą modeli wielomianowych. Statyczny model obciążenia jest zwykle wyrażany jako:
gdzie P i Q reprezentują moc czynną i bierną odpowiednio, V to napięcie, P0, Q0, V0to wartości w stanie referencyjnym, a n i m są współczynnikami charakterystyki obciążenia.
Dynamiczny model obciążenia jest bardziej złożony. Uwzględnia on dynamiczną reakcję obciążenia na zmiany napięcia i częstotliwości, w tym wiele stałych czasowych, które symulują szybkość reakcji obciążenia na zmiany napięcia i częstotliwości. Dynamiczny model obciążenia może być wyrażony jako seria równań różniczkowych, które opisują tempo zmian mocy obciążenia w czasie.
W projekcie struktury programowej, te modele są integrowane w system wykrywania informacji o awariach ochrony przekaźnikowej podstacji, aby monitorować i analizować stan działania podstacji w czasie rzeczywistym. System gromadzi dane w czasie rzeczywistym, w tym prąd, napięcie, moc, itp., i używa tych modeli do obliczeń, aby naukowo identyfikować potencjalne warunki awaryjne.
(2) Zbieranie informacji o awariach
Aby zapewnić niezawodność urządzeń ochrony przekaźnikowej, projekt systemu wykrywania informacji o awariach jest szczególnie ważny, zwłaszcza część dotycząca zbierania informacji o awariach. Ta część jest zazwyczaj podzielona na trzy moduły: zbieranie informacji w stanie ustalonym, zbieranie informacji przejściowych i zarządzanie plikami stanu.
Moduł zbierania informacji w stanie ustalonym jest mainly odpowiedzialny za gromadzenie parametrów elektrycznych podstacji podczas normalnego działania, takich jak napięcie, prąd, moc, itp. Te dane są podstawą do oceny stanu działania sieci energetycznej i są również ważne do analizy i prognozowania awarii. Ten moduł zazwyczaj zawiera trzy podmoduły: gromadzenie danych, przetwarzanie danych i przechowywanie danych. Podmoduł gromadzenia danych uzyskuje parametry elektryczne w czasie rzeczywistym poprzez interfejs z systemem monitorowania podstacji; podmoduł przetwarzania danych przeprowadza wstępne analizy zebranych danych, usuwa wartości anormalne i formatuje dane; podmoduł przechowywania danych przechowuje przetworzone dane w bazie danych do późniejszej analizy.
Moduł zbierania informacji przejściowych skupia się na łapaniu przejściowych zdarzeń w sieci energetycznej, takich jak zwarcia, otwarcia i inne awarie. Te przejściowe zdarzenia często są towarzyszone ostrymi zmianami parametrów elektrycznych, dlatego wymagane są urządzenia zbierające dane z dużą prędkością i precyzją. Ten moduł zazwyczaj zawiera trzy podmoduły: szybkie zbieranie danych, identyfikacja przejściowych zdarzeń i przechowywanie danych zdarzeń. Podmoduł szybkiego zbierania danych może rejestrować zmiany parametrów elektrycznych z rozdzielczością na mikrosekundy; podmoduł identyfikacji przejściowych zdarzeń określa, czy wystąpiła awaria, i dokładnie identyfikuje typ awarii według predefiniowanych algorytmów; podmoduł przechowywania danych zdarzeń przechowuje zidentyfikowane informacje o awarii w specyficznej bazie danych, co sprzyja głębokiej analizie przez personel.
Moduł zarządzania plikami stanu jest odpowiedzialny za zarządzanie i utrzymanie plików stanu urządzeń ochrony przekaźnikowej podstacji, i szczegółowo rejestruje kluczowe informacje, takie jak szczegóły konfiguracji, stan działania i historyczne zapisy awarii urządzeń ochrony. Głównie składa się z czterech podmodułów: generowanie plików stanu, aktualizacja, zapytanie i kopie zapasowe. Podmoduł generowania plików stanu tworzy początkowy plik stanu na podstawie rzeczywistej konfiguracji urządzeń ochrony; podmoduł aktualizacji aktualizuje plik stanu, gdy parametry lub konfiguracja urządzenia ulegają zmianie; podmoduł zapytań umożliwia użytkownikom zapytanie o informacje w pliku stanu; podmoduł kopii zapasowych regularnie tworzy kopie zapasowe pliku stanu, aby skutecznie unikać utraty danych.
(3) Wykrywanie informacji o awariach
Gdy warstwa sterowania stacją otrzyma informację alarmową "Błąd połączenia sieci scalonej linii A" od ochrony przekaźnikowej, system powinien natychmiast rozpocząć proces wykrywania informacji o awarii, aby potwierdzić, czy ten alarm jest jedynym źródłem, czyli czy inne urządzenia również wydały podobne alerty. W tym przykładzie, jeśli inne urządzenia nie wydają alarmów, system skupi się na informacji "Błąd połączenia sieci scalonej linii A".
Aby skuteczniej przetwarzać i analizować informacje o awariach, system zaprojektował pięć kombinacji wirtualnych końcówek i węzłów awaryjnych, jak pokazano w Tabeli 1.
Każda wirtualna końcówka jest odpowiedzialna za różne zadania, od monitorowania statusu połączenia sieciowego do dostarczania rozwiązań, tworząc kompletny proces obsługi awarii. Dzięki powyższemu projektowi struktury programowej, system wykrywania informacji o awariach ochrony przekaźnikowej podstacji może skutecznie wykrywać informacje o awariach i zapewniać bezpieczne działanie podstacji. Szczególnie, gdy otrzyma alarm "Błąd połączenia sieci scalonej linii A", system może szybko zareagować i podjąć odpowiednie działania, aby zminimalizować wpływ awarii na system energetyczny.
IV. Weryfikacja eksperymentalna
(1) Struktura topologiczna sieci
Projekt struktury topologicznej sieci systemu wykrywania informacji o awariach ochrony przekaźnikowej dla podstacji 500 kV uruchomionej w 2023 roku ścisłe przestrzega podstawowych zasad wysokiej niezawodności, dostępności i łatwej konserwacji. Ten system wykorzystuje hierarchiczną i rozproszoną architekturę sieciową, a jego kroki realizacji są dobrze zorganizowane, obejmując głównie następujące etapy.
Zbieranie danych: Poprzez czujniki i urządzenia zbierania danych zainstalowane w różnych kluczowych węzłach podstacji, dane dotyczące działania urządzeń ochrony przekaźnikowej są zbierane w czasie rzeczywistym.
Transmisja danych: Za pomocą technologii komunikacji sieciowej, zebrane dane są w sposób szybki i dokładny przesyłane do centrum przetwarzania danych.
Analiza danych: W centrum przetwarzania danych, wysokowydajne komputery i profesjonalne oprogramowanie do analizy są wykorzystywane do analizy danych, identyfikacji nietypowych wzorców i potencjalnych awarii.
Diagnoza awarii: Po wykryciu anomalii, system automatycznie przeprowadza diagnozę awarii, aby określić typ i lokalizację awarii.
Alarm i reakcja: System powiadamia personel operacyjny i konserwacyjny o informacjach o awarii za pomocą systemu alarmowego i dostarcza wstępne sugestie dotyczące obsługi awarii.
Obsługa awarii: Personel operacyjny i konserwacyjny może szybko podjąć działania w celu obsługi awarii na podstawie informacji o awarii i sugestii dostarczonych przez system, co zapewnia stabilne działanie sieci energetycznej.
(2) Wyniki eksperymentów i analiza
W eksperymencie wykorzystano dwa systemy detekcyjne: jeden to tradycyjny system detekcji online obwodów wtórnych ochrony przekaźnikowej podstacji oparty na pliku SCD, a drugi to system wykrywania informacji o awariach ochrony przekaźnikowej podstacji oparty na analizie przestrzenno-czasowej. Obie systemy zostały przetestowane w tym samym środowisku podstacji, aby zapewnić porównywalność wyników [8].
Dane eksperymentalne pokazują, że maksymalne napięcia izolacji dodatniej i ujemnej szyny mierzonych przez system detekcyjny oparty na pliku SCD wynoszą odpowiednio 192,1 V i 191,4 V, podczas gdy odpowiednie wartości mierzone przez system detekcyjny oparty na analizie przestrzenno-czasowej wynoszą 190,3 V i 210,23 V. Konkretne dane przedstawiono w Tabeli 2.
Na podstawie wyników eksperymentalnych można stwierdzić, że system detekcyjny oparty na analizie przestrzenno-czasowej ma nieco niższą wartość maksymalnego napięcia izolacji dla dodatniej szyny w porównaniu z systemem detekcyjnym opartym na pliku SCD, ale nieco wyższą wartość dla ujemnej szyny. To wskazuje, że system detekcyjny oparty na analizie przestrzenno-czasowej może dostarczać bardziej dokładne wyniki pomiarów w niektórych sytuacjach. Jednak ta różnica nie jest znacząca. Dlatego, aby uzyskać głębsze zrozumienie różnic w wydajności między tymi dwoma systemami, może być konieczne zebranie i analiza większej ilości danych eksperymentalnych.
V. Podsumowanie
Nowy system wykrywania informacji o awariach ochrony przekaźnikowej podstacji zaprojektowany i badany w tym artykule może monitorować stan działania urządzeń ochrony przekaźnikowej w czasie rzeczywistym, automatycznie analizować i diagnozować informacje o awariach, a następnie szybko przesyłać informacje o awariach do personelu operacyjnego i konserwacyjnego za pomocą technologii komunikacji sieciowej. Pozwala to im podjąć natychmiastowe działania, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się awarii i zapewnić bezpieczne i stabilne działanie systemu energetycznego.
