Проектирование системы обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанции
I. Введение
В последние годы, с непрерывным расширением масштаба электрических сетей, подстанции, как ключевые узлы в энергетической системе, играют важную роль в обеспечении надежности всей электрической сети через свою безопасную и стабильную работу. Релейная защита является первой линией обороны для безопасной работы подстанций. Точность и быстрота релейной защиты напрямую связаны со стабильностью энергетической системы. Поэтому эффективное обнаружение информации о неисправностях системы релейной защиты подстанций, своевременное выявление и устранение потенциальных неисправностей, имеют большое значение для обеспечения безопасной работы энергетической системы.
Традиционные методы обнаружения неисправностей релейной защиты в основном зависят от ручных проверок и регулярного обслуживания. Эти методы не только требуют много времени и трудозатрат, но и не могут обеспечить мониторинг в реальном времени. В результате они часто пропускают ранние сигналы неисправностей. С непрерывным развитием информационных технологий, особенно прогрессом в области компьютерных и коммуникационных технологий, современные системы обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанций начали использовать автоматизированные методы. Через сбор данных в реальном времени эти системы могут обеспечить мониторинг состояния релейной защиты в реальном времени и быстро локализовать неисправности.
Поэтому в данной работе предлагается система обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанций на основе современных информационных технологий, и подробно описывается 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 однокристальный микроконтроллер C8051F040 в качестве основного процессора. Однокристальный микроконтроллер C8051F040 является высокопроизводительным и маломощным микроконтроллером, который интегрирует богатые периферийные ресурсы, включая аналоговые и цифровые порты ввода-вывода, таймеры/счетчики, UART, SPI и интерфейсы I2C. Эти характеристики делают C8051F040 идеально подходящим в качестве основного процессора управляющего компьютера, способным удовлетворять требованиям высокоскоростной обработки данных и сложной логики управления.
Для обеспечения возможности мониторинга в реальном времени в проектировании управляющего компьютера используется высокопроизводительный модуль мониторинга. Этот модуль обычно включает высокоскоростной АЦП (аналого-цифровой преобразователь), ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), а также цепи мониторинга напряжения и тока. Он может собирать и преобразовывать электрические параметры в реальном времени, предоставляя точные данные для диагностики неисправностей.
Кроме того, управляющий компьютер должен общаться с нижним компьютером и удаленным центром мониторинга. В проект включены различные интерфейсы связи, 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 к 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, стабильностью и долгим сроком службы, и может стабильно работать даже в суровых условиях.
Высокая точность является ключевым показателем производительности датчика контроля изоляции. Благодаря использованию передовых алгоритмов обнаружения и электронных компонентов, 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 способностью высокоточного обнаружения и могут своевременно обнаруживать изоляционные неисправности, тем самым эффективно предотвращая возникновение аварий.
(3) Модуль раннего обнаружения
Для улучшения точности и скорости реакции на ранние предупреждения, данный модуль обычно интегрирует двойной механизм активного и пассивного раннего обнаружения.
Активное раннее обнаружение означает, что система активно 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 дальнейшие меры по обработке, 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 скорость 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 при возникновении конкретных событий и проводить глубокий анализ причин неисправностей.
Для эффективного сочетания этих двух методов раннего обнаружения, в проектировании аппаратуры необходимо учесть следующие ключевые элементы:
Выбор датчиков и устройств сбора данных: Необходимо выбрать высокоточные датчики и устройства сбора данных, чтобы гарантировать точность данных.
Способность обработки и анализа данных: Модуль мониторинга раннего обнаружения должен обладать мощными возможностями обработки и анализа данных, чтобы быстро выявлять аномальные данные и делать выводы о раннем обнаружении.
Интерфейсы связи и протоколы: Модуль должен поддерживать несколько интерфейсов связи и протоколов, чтобы облегчить обмен данными с другими системами или устройствами.
Надежность: Проектирование аппаратуры должно обеспечить, чтобы модуль мог стабильно работать в экстремальных условиях, и принять необходимые меры безопасности, чтобы предотвратить ошибочные действия и несанкционированный доступ.
III. Проектирование программного обеспечения системы
(1) Моделирование характеристик нагрузки при неисправностях
Ядро системы обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанций заключается в проектировании структуры программного обеспечения, особенно в создании статических и динамических моделей нагрузки. Эти модели направлены на описание активной и реактивной мощности нагрузки во время работы системы, а также медленных изменений напряжения и частоты, и обычно выражаются с помощью полиномиальных моделей. Статическая модель нагрузки обычно выражается следующим образом:
где P и Q представляют активную и реактивную мощность соответственно, V - это напряжение, P0, Q0, V0 - значения в исходном состоянии, а n и m - коэффициенты 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 во времени.
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 определить потенциальные условия неисправностей.
(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 в нормальном режиме работы, таких как напряжение, ток, мощность и т.д. Эти данные являются основой для оценки состояния работы энергетической 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 фокусируется на захвате переходных событий в энергетической 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 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 до микросекунд; подмодуль идентификации переходных событий определяет, произошла ли неисправность, и точно определяет тип неисправности в соответствии с предустановленными алгоритмами; подмодуль хранения данных событий сохраняет информацию о выявленных неисправностях в специальной базе данных, что способствует глубокому анализу сотрудниками.
Модуль управления файлами состояния отвечает за управление и обслуживание файлов состояния оборудования релейной защиты подстанции и детально записывает ключевую информацию, такую как детали конфигурации, состояние работы и исторические записи о неисправностях оборудования защиты. Он включает четыре подмодуля: создание файлов состояния, обновление, запрос и резервное копирование. Подмодуль создания файлов состояния генерирует начальный файл состояния в соответствии с фактической конфигурацией оборудования защиты; подмодуль обновления обновляет файл состояния, когда параметры или конфигурация оборудования меняются; подмодуль запроса позволяет пользователям запрашивать информацию в файле состояния; подмодуль резервного копирования регулярно создает резервные копии файла состояния, чтобы эффективно предотвратить потерю данных.
(3) Обнаружение информации о неисправностях
Когда уровень управления подстанцией 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, выпускают ли другие устройства аналогичные сообщения. В этом примере, если другие устройства не выпускают тревоги, система будет сосредоточена на информации "Ошибка объединенной сети линии A".
Для более эффективной обработки и анализа информации о неисправностях, система проектирует пять комбинаций виртуальных терминалов и узлов неисправностей, как показано в таблице 1.
Каждый виртуальный терминал отвечает за разные задачи, от мониторинга состояния сети до предоставления решений, образуя полный процесс обработки неисправностей. Благодаря вышеуказанному проектированию структуры программного обеспечения, система обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанций может эффективно обнаруживать информацию о неисправностях и обеспечивать безопасную работу подстанции. Особенно при получении тревоги "Ошибка объединенной сети линии A", система может быстро реагировать и принимать соответствующие меры, чтобы минимизировать влияние неисправности на энергетическую систему.
IV. Экспериментальная проверка
(1) Структура сети
Проектирование структуры сети системы обнаружения информации о неисправностях релейной защиты для подстанции 500 кВ, введенной в эксплуатацию в 2023 году, строго следует основным принципам высокой надежности, высокой доступности и легкого обслуживания. Эта система использует иерархическую и распределенную сетевую архитектуру, и ее реализация организована, в основном, включая следующие этапы.
Сбор данных: Через датчики и устройства сбора данных, установленные на различных ключевых узлах подстанции, собираются данные о работе устройств релейной защиты в реальном времени.
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 операционный и технический персонал о информации о неисправности через систему тревоги и предоставляет предварительные рекомендации по устранению неисправностей.
Устранение неисправностей: Операционный и технический персонал может быстро предпринять меры для устранения неисправности на основе информации и рекомендаций, предоставленных системой, тем самым обеспечивая стабильную работу энергетической 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 сравнимость результатов [8].
Экспериментальные данные показывают, что максимальные изоляционные напряжения положительной и отрицательной шин, измеренные системой обнаружения на основе файла SCD, составили 192,1 В и 191,4 В соответственно, тогда как соответствующие значения, измеренные системой обнаружения 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 обнаружения на основе пространственно-временного анализа имеет немного меньшее максимальное изоляционное напряжение для положительной шины по сравнению с системой обнаружения на основе файла SCD, но немного большее значение для отрицательной шины. Это указывает на то, что система обнаружения на основе пространственно-временного анализа может предоставлять более точные результаты измерений в определенных ситуациях. Однако эта разница не значительна. Поэтому, чтобы получить более глубокое понимание различий в производительности между этими двумя системами, возможно, потребуется дальнейший сбор и анализ большого количества экспериментальных данных.
V. Заключение
Новая система обнаружения информации о неисправностях релейной защиты подстанций, 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 операционному и техническому персоналу через сетевые коммуникационные технологии. Это позволяет им принимать своевременные меры для предотвращения распространения неисправностей и обеспечения безопасной и стабильной работы энергетической системы.
