Dizajn sistema za zaznavanje informacij o napakah v ščitni relne postaji

I. Uvod

V zadnjih letih, s stalnim razširjanjem merila električnih omrežij, postaje kot ključni vozi v sistemih za oskrbo z električno energijo igrajo odločilno vlogo pri zagotavljanju zanesljivosti celotnega električnega omrežja preko varne in stabilne delovne operacije. Relativna zaščita je prva črta obrambe za varno delovanje postaj. Natančnost in hitrost relativne zaščite so neposredno povezani z stabilnostjo sistema za oskrbo z električno energijo. Zato je učinkovito zaznavanje informacij o napakah v sistemu relativne zaščite postaj, hitro identificiranje in reševanje potencialnih napak, zelo pomembno za zaščito varne delovne operacije sistema za oskrbo z električno energijo.

Tradicionalne metode za zaznavanje napak relativne zaščite se glavno oslanjajo na ročne pregledovanja in redno vzdrževanje. Te metode niso le časovno in materialno zahtevne, ampak tudi ne morejo doseči realnega časa nadzora. Tako so lahko zaprte za zaznavanje zgodnjih signalov napak. S stalnim razvojem informacijske tehnologije, še posebej napredkom v računalniški in komunikacijski tehnologiji, so sodobni sistemi za zaznavanje informacij o napakah relativne zaščite v postajah začeli uporabljati avtomatizirane metode. Skozi realnočasno zbiranje podatkov ti sistemi lahko dosežejo realnočasen nadzor stanja relativne zaščite in hitro lokacijo napak.

Zato ta članek predlaga sistem za zaznavanje informacij o napakah relativne zaščite v postajah temelječ na sodobni informacijski tehnologiji in podrobno razloži njegovo strojno strukturo, programskega dizajna in eksperimentalnih rezultatov.

II. Dizajn strojne strukture sistema
(1) Glavni računalnik

Dizajn glavnega računalnika neposredno vpliva na zmogljivost celotnega sistema. Njegova strojna struktura uporablja enojnični mikroprocesor C8051F040 kot centralni procesor. Enojnični mikroprocesor C8051F040 je visokoperformančni in nizkonapetostni mešani signal mikrokontroler, ki združuje obsežne periferne vire, vključno z analognimi in digitalnimi I/O vrati, števci/števce, UART, SPI in I2C komunikacijske vmesnike itd. Ti značilnosti C8051F040 čine izjemno primernim za centralni procesor glavnega računalnika, sposoben za izpolnjevanje zahtev za hitro obdelavo podatkov in kompleksno kontrolno logiko.

Za zagotavljanje zmogljivosti realnega časa nadzora sistema je v dizajnu glavnega računalnika uporabljen visokoperformančni nadzorni enot. Ta enota običajno vključuje visoko hitro ADC (Analog-to-Digital Converter), DAC (Digital-to-Analog Converter) ter napetost/tok nadzorne krge. Lahko zbirajo in pretvarjajo električne parametre v realnem času, kar zagotavlja točne podatkovne podpore za diagnostiko napak.

Sicer glavni računalnik mora komunicirati z nižjim računalnikom in oddaljenim nadzornim centrom. Dizajn vključuje različne komunikacijske vmesnike, kot so RS-232, RS-485 in Ethernet. Ti vmesniki zagotavljajo hitro prenos podatkov in možnost oddaljene kontrole.

Za olajšanje operatorjem nadzora in kontrole sistema je glavni računalnik opremljen z ljudsko-strokovno interaktivno vmesnikom, običajno sestavljen iz LCD zaslonskega displeja in tipkovnice. Operatorji lahko uporabljajo te vmesnike za ogled stanja sistema v realnem času.

(2) Senzor za zaznavanje izolacije

Za izpolnitev zahtev za obnovo DC sistemov v starih elektrarnah in postajah je zaposleni oblikovali visokonatančen ločljiv senzor za zaznavanje izolacije. S uporabo naprednih elektronskih tehnologij in materialov ima ta senzor visoko občutljivost, visoko stabilnost in dolgo življenjsko dobo, ter lahko stabilno deluje celo v težkih okoliščinah.

Visoka natančnost je ključni kazalec zmogljivosti senzorja za zaznavanje izolacije. S uporabo naprednih algoritmov za zaznavanje in elektronskih komponentov lahko natančno zazna majhne spremembe izolacije, kar zagotavlja točnost in pravočasnost informacij o napakah.

Z nadgradnjo in obnovo termalnih izolacijskih naprav DC sistemov v starih elektrarnah in postajah ter z uporabo visokonatančnih ločljivih senzorjev za zaznavanje izolacije se lahko znatno izboljša varnost sistema. Ti senzorji imajo zmogljivost za visokonatančno zaznavanje in lahko pravočasno zaznajo napake izolacije, s tem učinkovito preprečujejo pojavitve nesreč.

(3) Modul za zgodnje opozarjanje

Za izboljšanje natančnosti in hitrosti zgodnjega opozarjanja ta modul običajno združi dvojno mehanizem aktivnega in pasivnega zgodnjega opozarjanja.

Aktivno zgodnje opozarjanje se nanaša na proaktivno zaznavanje električnih parametrov sistema. Ko se parametri odmaknejo od normalnega obsega, bo takoj sprožen signal zgodnjega opozarjanja. Aktivno zgodnje opozarjanje običajno temelji na visokoperformančnih senzorjih in napravah za zbiranje podatkov. Te naprave lahko v realnem času spremljajo ključne parametre, kot so tok, napetost in frekvenca, ter analizirajo relevantne podatke preko vgrajenih algoritmov, da bi določili, ali obstajajo potencialni tvegani dogodki. Pasivno zgodnje opozarjanje pa vključuje analizo relevantnih električnih parametrov in izdajo signala zgodnjega opozarjanja po prejemu zunanjih signalov. Na primer, ko se v postaji začne delovati relacija zaščite, bo takoj aktiviran pasivni modul zgodnjega opozarjanja, da bi analiziral vzrok za delovanje in določil, ali so potrebni dodatni ukrepi, kot je prikazano na Sliki 1.

Slika 1 Dizajn strojne strukture

V dizajnu strojne strukture modula za zgodnje opozarjanje združitev aktivnega in pasivnega zgodnjega opozarjanja lahko znatno izboljša zmogljivost sistema za zgodnje opozarjanje in hitrost odziva. Aktivno zgodnje opozarjanje lahko v realnem času spremlja električne parametre in hitro identificira potencialne tvegane dogodke, medtem ko pasivno zgodnje opozarjanje lahko hitro reagira, ko se zgodi določen dogodek, in naredi globljeno analizo vzrokov za napako.

Za učinkovito združitev teh dveh metod zgodnjega opozarjanja je v dizajnu strojne strukture potrebno upoštevati naslednje ključne elemente:

• Izbira senzorjev in naprav za zbiranje podatkov: Za zagotavljanje točnosti podatkov je potrebno izbrati visokonatančne senzorje in naprave za zbiranje podatkov.

• Zmogljivosti za obdelavo in analizo podatkov: Modul za zgodnje opozarjanje mora imeti močne zmogljivosti za obdelavo in analizo podatkov, da bi hitro identificiral nenormalne podatke in naredil presojo zgodnjega opozarjanja.

• Komunikacijske vmesnike in protokoli: Modul mora podpirati več komunikacijskih vmesnikov in protokolov, da bi olajšal izmenjavo podatkov z drugimi sistemi ali napravami.

• Zanesljivost: Dizajn strojne strukture mora zagotoviti, da modul lahko stabilno deluje v ekstremnih okoliščinah in uporablja ustrezne varnostne ukrepe, da prepreči napačno delovanje in neupravičen dostop.

III. Programska oprema sistema
(1) Simulacija modeliranja lastnosti bremen pri napakah

Jedro sistema za zaznavanje informacij o napakah relativne zaščite v postajah leži v dizajnu programske strukture, še posebej v gradnji statičnih in dinamičnih modelov bremen. Ti modeli so namenjeni opisu dejanske in reaktivne moči bremen med delovanjem sistema, kot tudi počasnemu spreminjanju napetosti in frekvence, običajno izraženi z polinomskimi modeli. Statični model bremena se običajno izraža kot:

kjer P in Q predstavljata dejansko in reaktivno moč, V je napetost, P0, Q0, V0 so vrednosti v referenčnem stanju, n in m pa so koeficienti lastnosti bremena.

Dinamični model bremena je bolj zapleten. Upošteva dinamični odziv bremena na spremembe napetosti in frekvence, vključno z več časovnih konstant, da simulira hitrost odziva bremena na spremembe napetosti in frekvence. Dinamični model bremena se lahko izrazi kot serija diferencialnih enačb, ki opisujejo stopnjo spremembe moči bremena skozi čas.

V dizajnu programske strukture so ti modeli integrirani v sistem za zaznavanje informacij o napakah relativne zaščite, da v realnem času spremljajo in analizirajo delovno stanje postaje. Sistem zbirajo realne podatke, vključno z tokom, napetostjo, močjo itd., in uporablja te modele za izračune, da znanstveno identificira potencialne stanje napak.

(2) Zbiranje informacij o napakah

Za zagotavljanje zanesljivosti naprav relativne zaščite je posebej pomembno oblikovanje sistema za zaznavanje informacij o napakah, še posebej del zbiranja informacij o napakah. Ta del je običajno razdeljen na tri module: zbiranje informacij v stanju ravnovesja, zbiranje prehodnih informacij in upravljanje datotek stanja.

Modul za zbiranje informacij v stanju ravnovesja je glavno odgovoren za zbiranje električnih parametrov postaje med normalnim delovanjem, kot so napetost, tok, moč itd. Ti podatki so osnova za ocenjevanje stanja delovanja električnega omrežja in tudi pomembni za analizo in napovedovanje napak. Ta modul običajno vključuje tri podmodule: zbiranje podatkov, obdelava podatkov in shranjevanje podatkov. Podmodul zbiranja podatkov pridobi električne parametre v realnem času preko vmesnika s sistemom za nadzor postaje; podmodul obdelave podatkov naredi začetno analizo zbranih podatkov, odstrani nenormalne vrednosti in formatira podatke; podmodul shranjevanja podatkov shranjuje obdelane podatke v bazo podatkov za nadaljnjo analizo.

Modul za zbiranje prehodnih informacij se osredotoča na zajemanje prehodnih dogodkov v električnem omrežju, kot so kratki spoji, odprtja in druge napake. Ti prehodni dogodki so pogosto povzročeni ostrijimi spremembami električnih parametrov, zato je potrebno visoko hitro in natančno opremo za zbiranje podatkov. Ta modul običajno vključuje tri podmodule: visoko hitro zbiranje podatkov, identifikacija prehodnih dogodkov in shranjevanje podatkov o dogodku. Podmodul visoko hitrega zbiranja podatkov lahko zabeleži spremembe električnih parametrov z mikrosekundno ločljivostjo; podmodul identifikacije prehodnih dogodkov ugotovi, ali je prišlo do napake, in natančno identificira vrsto napake glede na prednastavljene algoritme; podmodul shranjevanja podatkov o dogodku shranjuje identificirane informacije o napaki v specifično bazo podatkov, kar je koristno za globljo analizo osebja.

Modul za upravljanje datotek stanja je odgovoren za upravljanje in vzdrževanje datotek stanja naprav relativne zaščite v postaji, in podrobno beleži ključne informacije, kot so podrobnosti o konfiguraciji, stanju delovanja in zgodovini napak zaščitnih naprav. Glavno vključuje štiri podmodule: generiranje datoteke stanja, posodabljanje, iskanje in varnostno kopiranje. Podmodul generiranja datoteke stanja generira začetno datoteko stanja glede na dejansko konfiguracijo zaščitnih naprav; podmodul posodabljanja posodablja datoteko stanja, ko se parametri ali konfiguracija naprave spremenijo; podmodul iskanja omogoča uporabnikom, da iskajo informacije v datoteki stanja; podmodul varnostnega kopiranja redno varnostno kopira datoteko stanja, da učinkovito prepreči izgubo podatkov.

(3) Zaznavanje informacij o napakah

Ko sloj nadzora postaje prejme alarm "Napaka združitve omrežja A-linije" iz relativne zaščite, mora sistem takoj začeti postopek zaznavanja informacij o napakah, da potrdi, ali je ta alarm edini vir, torej ali so druge naprave tudi izdali podobne alarme. V tem primeru, če druge naprave ne izdajo alarmov, se sistem osredotoči na informacije o "Napaki združitve omrežja A-linije".

Za učinkovitejšo obdelavo in analizo informacij o napakah je sistem oblikoval pet kombinacij virtualnih končnic in vozlišč napak, kot je prikazano v Tabeli 1.

Vsaka virtualna končnica je odgovorna za različne naloge, od nadzora statusa povezave omrežja do ponujanja rešitev, sestavljajoč celoten postopek obdelave napak. Skozi zgornji dizajn programske strukture sistem za zaznavanje informacij o napakah relativne zaščite v postajah lahko učinkovito zazna informacije o napakah in zagotovi varno delovanje postaje. Še posebej, ko prejme alarm "Napaka združitve omrežja A-linije", sistem lahko hitro reagira in sprejme ustrezen ukrep, da minimizira vpliv napake na sistem za oskrbo z električno energijo.

IV. Eksperimentalna preverjanja
(1) Struktura topologije omrežja

Struktura topologije omrežja sistema za zaznavanje informacij o napakah relativne zaščite, ki je bil v uporabo postavljen v 500 kV postaji leta 2023, strogo upošteva ključna načela visoke zanesljivosti, dostopnosti in enostavne vzdrževanosti. Ta sistem uporablja hierarhično in distribuirano arhitekturo omrežja, njegove implementacijske korake pa so dobro organizirani, predvsem vključujejo naslednje povezave.

• Zbiranje podatkov: Skozi senzorje in naprave za zbiranje podatkov, nameščene na različnih ključnih vozi postaje, se v realnem času zbirajo operativni podatki naprav relativne zaščite.

• Prenos podatkov: Z uporabo tehnologije komunikacije preko omrežja se zbrani podatki pravočasno in točno prenašajo v center za obdelavo podatkov.

• Analiza podatkov: V centerju za obdelavo podatkov se uporabljajo visokoperformančni računalniki in strokovni programi za analizo, da se identificirajo nenormalni vzorci in potencialne napake.

• Diagnostika napak: Ko se zazna nenormalnost, sistem samodejno izvede diagnostiko napak, da določi vrsto in lokacijo napake.

• Alarm in odziv: Sistem obvesti osebje za nadzor in vzdrževanje o informacijah o napaki preko sistema za alarmiranje in ponuja predlagane ukrepe za začetno obdelavo napake.

• Obdelava napak: Osebje za nadzor in vzdrževanje lahko hitro sprejme ukrepe za obdelavo napake glede na informacije in predloge, ki jih sistem ponuja, s tem zagotavlja stabilno delovanje električnega omrežja.

(2) Eksperimentalni rezultati in analiza

V poskusu sta bila uporabljena dva sistema za zaznavanje: eden je bil tradicionalni sistem za on-line zaznavanje sekundarnih vezij relativne zaščite v postajah, temelječ na datoteki SCD, drugi pa sistem za zaznavanje informacij o napakah relativne zaščite v postajah, temelječ na prostorsko-temporalni analizi. Oba sistema sta bila testirana v istem okolju postaje, da bi se zagotovila primerljivost rezultatov [8].

Eksperimentalni podatki kažejo, da so največje izolacijske napetosti pozitivnega in negativnega busa, merjene z sistemom, temelječim na datoteki SCD, 192,1 V in 191,4 V, medtem ko so ustrezne vrednosti, merjene z sistemom, temelječim na prostorsko-temporalni analizi, 190,3 V in 210,23 V. Specifični podatki so prikazani v Tabeli 2.

Iz eksperimentalnih rezultatov je videti, da ima sistem, temelječ na prostorsko-temporalni analizi, malo nižjo največjo izolacijsko napetost za pozitivni bus v primerjavi s sistemom, temelječim na datoteki SCD, vendar malo višjo vrednost za negativni bus. To kaže, da sistem, temelječ na prostorsko-temporalni analizi, lahko v določenih situacijah zagotovi točnejše meritve. Vendar ta razlika ni bistvena. Zato, da bi se dosegla globlja razumitev razlik v zmogljivosti med tema dvema sistoma, bi morda bil potreben dodatni zbor in analiza velikega števila eksperimentalnih podatkov.

V. Zaključek

Novi sistem za zaznavanje informacij o napakah relativne zaščite v postajah, ki je bil oblikovan in raziskovan v tem članku, lahko v realnem času spremlja delovno stanje naprav relativne zaščite, samodejno analizira in diagnostira informacije o napakah, in pravočasno prenaša informacije o napakah osebju za nadzor in vzdrževanje preko tehnologije komunikacije preko omrežja. To jim omogoča, da hitro sprejmejo ukrepe, da preprečijo širjenje napak in zagotovijo varno in stabilno delovanje sistema za oskrbo z električno energijo.