O Projeto do Sistema de Detecção de Informações de Falhas da Proteção Relé da Subestação
I. Introdução
Nos últimos anos, com a contínua expansão da escala da rede elétrica, as subestações, como nós cruciais no sistema de energia, desempenham um papel vital na garantia da confiabilidade da rede elétrica inteira através de sua operação segura e estável. A proteção por relé serve como a primeira linha de defesa para a operação segura das subestações. A precisão e rapidez da proteção por relé estão diretamente relacionadas à estabilidade do sistema de energia. Portanto, detectar efetivamente as informações de falhas do sistema de proteção por relé da subestação, identificar e resolver prontamente falhas potenciais, são de grande importância para salvaguardar a operação segura do sistema de energia.
Os métodos tradicionais de detecção de falhas de proteção por relé dependem principalmente de inspeções manuais e manutenção regular. Esses métodos não só são demorados e trabalhosos, mas também não conseguem alcançar o monitoramento em tempo real. Como resultado, eles tendem a perder os sinais iniciais de falhas. Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia da informação, especialmente os avanços na tecnologia de computadores e comunicação, os sistemas modernos de detecção de informações de falhas de proteção por relé de subestações começaram a adotar métodos automatizados. Através da coleta de dados em tempo real, esses sistemas podem alcançar o monitoramento em tempo real do status da proteção por relé e localizar rapidamente as falhas.
Portanto, este artigo propõe um sistema de detecção de informações de falhas de proteção por relé de subestação baseado na tecnologia de informação moderna e elabora em detalhes sua estrutura de hardware, design de software e resultados experimentais.
II. Design da Estrutura de Hardware do Sistema
(1) Computador Principal
O design do computador principal afeta diretamente o desempenho do sistema inteiro. Sua estrutura de hardware utiliza o microcontrolador C8051F040 como processador central. O microcontrolador C8051F040 é um microcontrolador de sinal misto de alto desempenho e baixo consumo que integra recursos periféricos abundantes, incluindo portas I/O analógicas e digitais, temporizadores/contadores, UART, SPI e interfaces de comunicação I2C, entre outros. Essas características tornam o C8051F040 altamente adequado como processador central do computador principal, capaz de atender aos requisitos de processamento de dados de alta velocidade e lógica de controle complexa.
Para garantir a capacidade de monitoramento em tempo real do sistema, uma unidade de monitoramento de alto desempenho é empregada no design do computador principal. Esta unidade geralmente inclui um ADC (Conversor Analógico-Digital) de alta velocidade, DAC (Conversor Digital-Analógico), bem como circuitos de monitoramento de tensão/corrente. Ela pode coletar e converter parâmetros elétricos em tempo real, fornecendo suporte de dados preciso para o diagnóstico de falhas.
Além disso, o computador principal precisa se comunicar com o computador inferior e o centro de monitoramento remoto. O design incorpora várias interfaces de comunicação, como RS-232, RS-485 e Ethernet. Essas interfaces garantem a transmissão rápida de dados e a capacidade de controle remoto.
Para facilitar os operadores no monitoramento e controle do sistema, o computador principal também é equipado com uma interface de interação homem-máquina, geralmente composta por uma tela LCD e um teclado. Os operadores podem usar essas interfaces para visualizar o status do sistema em tempo real.
(2) Sensor de Detecção de Isolamento
Para atender aos requisitos de renovação dos sistemas DC em usinas e subestações antigas, a equipe projetou um sensor de detecção de isolamento de alta precisão e removível. Utilizando tecnologias e materiais eletrônicos avançados, este sensor apresenta alta sensibilidade, alta estabilidade e longa vida útil, podendo operar de forma estável mesmo em ambientes adversos.
A alta precisão é um indicador de desempenho-chave do sensor de detecção de isolamento. Utilizando algoritmos de detecção avançados e componentes eletrônicos, ele pode detectar com precisão pequenas mudanças no isolamento, garantindo a precisão e a pontualidade das informações de falha.
Ao atualizar e renovar os dispositivos de isolamento térmico dos sistemas DC em usinas e subestações antigas e utilizar sensores de detecção de isolamento de alta precisão e removíveis, a segurança do sistema pode ser significativamente melhorada. Esses sensores têm a capacidade de detecção de alta precisão e podem detectar rapidamente falhas de isolamento, evitando eficazmente a ocorrência de acidentes.
(3) Módulo de Detecção de Alerta Precoce
Para melhorar a precisão e a velocidade de resposta dos alertas, este módulo geralmente integra um mecanismo duplo de alerta precoce ativo e passivo.
O alerta precoce ativo refere-se à detecção proativa do sistema de parâmetros elétricos. Assim que os parâmetros se desviam da faixa normal, um sinal de alerta será imediatamente acionado. O alerta precoce ativo geralmente depende de sensores e dispositivos de coleta de dados de alto desempenho. Esses dispositivos podem monitorar parâmetros-chave, como corrente, tensão e frequência, em tempo real e analisar os dados relevantes através de algoritmos embutidos para determinar se existem riscos de falhas potenciais. O alerta precoce passivo, por outro lado, envolve a análise de parâmetros elétricos relevantes e a emissão de um sinal de alerta após o sistema receber sinais externos. Por exemplo, quando o dispositivo de proteção por relé na subestação opera, o módulo de alerta precoce passivo será ativado imediatamente para analisar a causa da operação e determinar se são necessárias medidas de processamento adicionais, conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1 Design da Estrutura de Hardware
No design da estrutura de hardware do módulo de detecção de alerta precoce, a combinação de alerta precoce ativo e passivo pode aumentar significativamente a capacidade de alerta precoce e a velocidade de resposta do sistema. O alerta precoce ativo pode monitorar parâmetros elétricos em tempo real e identificar rapidamente riscos de falhas potenciais; enquanto o alerta precoce passivo pode reagir prontamente quando ocorrem eventos específicos e realizar uma análise aprofundada das causas das falhas.
Para combinar efetivamente esses dois métodos de alerta precoce, os seguintes elementos-chave devem ser considerados no design de hardware:
Seleção de sensores e dispositivos de coleta de dados: Sensores e dispositivos de coleta de dados de alta precisão devem ser selecionados para garantir a precisão dos dados.
Capacidades de processamento e análise de dados: O módulo de monitoramento de alerta precoce deve ter poderosas capacidades de processamento e análise de dados para identificar rapidamente dados anormais e fazer julgamentos de alerta precoce.
Interfaces e protocolos de comunicação: O módulo deve suportar várias interfaces e protocolos de comunicação para facilitar a troca de dados com outros sistemas ou dispositivos.
Confiabilidade: O design de hardware deve garantir que o módulo possa operar de forma estável em ambientes extremos e adotar medidas de segurança necessárias para evitar operações indevidas e acesso não autorizado.
III. Design de Software do Sistema
(1) Modelagem de Características de Carga de Falha
O núcleo do sistema de detecção de informações de falhas de proteção por relé de subestação está em seu design de estrutura de software, especialmente na construção de modelos de carga estática e dinâmica. Esses modelos visam descrever a potência ativa e reativa da carga durante a operação do sistema, bem como as mudanças lentas de tensão e frequência, e geralmente são expressos usando modelos polinomiais. O modelo de carga estática é geralmente expresso como:
onde P e Q representam potência ativa e reativa, respectivamente, V é a tensão, P0, Q0, V0 são os valores no estado de referência, e n e m são os coeficientes de características de carga.
O modelo de carga dinâmica é relativamente complexo. Ele leva em consideração a resposta dinâmica da carga às mudanças de tensão e frequência, incluindo múltiplas constantes de tempo para simular a velocidade de resposta da carga às mudanças de tensão e frequência. O modelo de carga dinâmica pode ser expresso como uma série de equações diferenciais que descrevem a taxa de mudança da potência de carga ao longo do tempo.
No design de estrutura de software, esses modelos são integrados no sistema de detecção de informações de falhas de proteção por relé para monitorar e analisar o status de operação da subestação em tempo real. O sistema coleta dados em tempo real, incluindo corrente, tensão, potência, etc., e usa esses modelos para cálculos para identificar cientificamente condições de falha potenciais.
(2) Coleta de Informações de Falha
Para garantir a confiabilidade dos equipamentos de proteção por relé, o design do sistema de detecção de informações de falha é de particular importância, especialmente a parte de coleta de informações de falha. Esta parte geralmente é dividida em três módulos: coleta de informações de estado estável, coleta de informações transitórias e gerenciamento de arquivos de status.
O módulo de coleta de informações de estado estável é responsável principalmente pela coleta de parâmetros elétricos da subestação durante a operação normal, como tensão, corrente, potência, etc. Esses dados são a base para avaliar o status de operação da rede elétrica e também são importantes para a análise e previsão de falhas. Este módulo geralmente inclui três submódulos: coleta de dados, processamento de dados e armazenamento de dados. O submódulo de coleta de dados obtém parâmetros elétricos em tempo real através da interface com o sistema de monitoramento da subestação; o submódulo de processamento de dados realiza uma análise preliminar dos dados coletados, remove valores anormais e formata os dados; o submódulo de armazenamento de dados armazena os dados processados em um banco de dados para análise subsequente.
O módulo de coleta de informações transitórias se concentra na captura de eventos transitórios na rede elétrica, como curtos-circuitos, aberturas de circuito e outras falhas. Esses eventos transitórios são frequentemente acompanhados por mudanças bruscas nos parâmetros elétricos, portanto, são necessários equipamentos de coleta de dados de alta velocidade e alta precisão. Este módulo geralmente inclui três submódulos: coleta de dados de alta velocidade, identificação de eventos transitórios e armazenamento de dados de eventos. O submódulo de coleta de dados de alta velocidade pode registrar as mudanças dos parâmetros elétricos com resolução de microssegundos; o submódulo de identificação de eventos transitórios determina se ocorreu uma falha e identifica com precisão o tipo de falha de acordo com algoritmos pré-definidos; o submódulo de armazenamento de dados de eventos armazena as informações de falha identificadas em um banco de dados específico, o que é favorável à análise aprofundada pelos funcionários.
O módulo de gerenciamento de arquivos de status é responsável pelo gerenciamento e manutenção dos arquivos de status dos equipamentos de proteção por relé da subestação, registrando detalhadamente informações-chave, como detalhes de configuração, status de operação e registros históricos de falhas dos equipamentos de proteção. Ele inclui principalmente quatro submódulos: geração de arquivo de status, atualização, consulta e backup. O submódulo de geração gera um arquivo de status inicial de acordo com a configuração real do equipamento de proteção; o submódulo de atualização atualiza o arquivo de status quando os parâmetros ou a configuração do equipamento mudam; o submódulo de consulta permite que os usuários consultem as informações no arquivo de status; o submódulo de backup faz backups regulares do arquivo de status para evitar efetivamente a perda de dados.
(3) Detecção de Informações de Falha
Quando a camada de controle da estação recebe a informação de alarme "erro de conexão de rede agregada da linha A" da proteção por relé, o sistema deve iniciar imediatamente o processo de detecção de informações de falha para confirmar se este alarme é a única fonte, isto é, se outros dispositivos também emitiram alarmes semelhantes. Neste exemplo, se outros dispositivos não emitem alarmes, o sistema se concentrará nas informações do "erro de conexão de rede agregada da linha A".
Para processar e analisar as informações de falha de forma mais eficaz, o sistema projeta cinco combinações de terminais virtuais e nós de falha, conforme mostrado na Tabela 1.
Cada terminal virtual é responsável por diferentes tarefas, desde o monitoramento do status de conexão da rede até a oferta de soluções, formando um processo completo de tratamento de falhas. Através do design de estrutura de software acima, o sistema de detecção de informações de falhas de proteção por relé de subestação pode detectar efetivamente informações de falha e garantir a operação segura da subestação. Especialmente ao receber o alarme de "erro de conexão de rede agregada da linha A", o sistema pode responder rapidamente e tomar medidas correspondentes para minimizar o impacto da falha no sistema de energia.
IV. Verificação Experimental
(1) Estrutura Topológica da Rede
O design da estrutura topológica da rede do sistema de detecção de informações de falhas de proteção por relé para a subestação de 500 kV colocada em operação em 2023 adere estritamente aos princípios centrais de alta confiabilidade, alta disponibilidade e fácil manutenção. Este sistema adota uma arquitetura de rede hierárquica e distribuída, e seus passos de implementação são bem organizados, incluindo principalmente os seguintes links.
Coleta de dados: Através de sensores e dispositivos de coleta de dados instalados em vários nós-chave da subestação, os dados de operação dos dispositivos de proteção por relé são coletados em tempo real.
Transmissão de dados: Usando tecnologia de comunicação em rede, os dados coletados são transmitidos para o centro de processamento de dados de maneira oportuna e precisa.
Análise de dados: No centro de processamento de dados, computadores de alto desempenho e software de análise profissional são usados para analisar os dados, identificar padrões anormais e falhas potenciais.
Diagnóstico de falhas: Assim que uma anomalia é detectada, o sistema realiza automaticamente o diagnóstico de falhas para determinar o tipo e a localização da falha.
Alarme e resposta: O sistema notifica o pessoal de operação e manutenção das informações de falha através do sistema de alarme e fornece sugestões iniciais de tratamento de falhas.
Tratamento de falhas: O pessoal de operação e manutenção pode tomar medidas rápidas para tratar a falha de acordo com as informações e sugestões fornecidas pelo sistema, garantindo assim a operação estável da rede elétrica.
(2) Resultados Experimentais e Análise
Dois sistemas de detecção foram utilizados no experimento: um é o sistema convencional de detecção online do circuito secundário de proteção por relé de subestação baseado no arquivo SCD, e o outro é o sistema de detecção de informações de falhas de proteção por relé de subestação baseado em análise espaço-temporal. Ambos os sistemas foram testados no mesmo ambiente de subestação para garantir a comparabilidade dos resultados [8].
Os dados experimentais mostram que as tensões de isolamento máximas das barras positiva e negativa medidas pelo sistema de detecção baseado no arquivo SCD são 192,1 V e 191,4 V, respectivamente, enquanto os valores correspondentes medidos pelo sistema de detecção baseado em análise espaço-temporal são 190,3 V e 210,23 V, respectivamente. Os dados específicos são mostrados na Tabela 2.
A partir dos resultados experimentais, pode-se observar que o sistema de detecção baseado em análise espaço-temporal tem um valor ligeiramente menor de tensão de isolamento máxima para a barra positiva em comparação com o sistema de detecção baseado no arquivo SCD, mas um valor ligeiramente maior para a barra negativa. Isso indica que o sistema de detecção baseado em análise espaço-temporal pode fornecer resultados de medição mais precisos em certas situações. No entanto, essa diferença não é significativa. Portanto, para obter uma compreensão mais aprofundada das diferenças de desempenho entre esses dois sistemas, pode ser necessário coletar e analisar uma grande quantidade de dados experimentais adicionais.
V. Conclusão
O novo sistema de detecção de informações de falhas de proteção por relé de subestação projetado e estudado neste artigo pode monitorar o status de trabalho dos dispositivos de proteção por relé em tempo real, analisar e diagnosticar automaticamente as informações de falha, e transmitir prontamente as informações de falha ao pessoal de operação e manutenção através da tecnologia de comunicação em rede. Isso permite que eles tomem medidas imediatas para prevenir a ampliação das falhas e garantir a operação segura e estável do sistema de energia.
