Dizajn sistema za otkrivanje informacija o greškama u reljnoj zaštiti podstacione

I. Uvod

U poslednjih nekoliko godina, sa kontinuiranim proširenjem mreže, podstacje, kao ključni čvorovi u sistemu snabdevanja električnom energijom, igraju vitalnu ulogu u osiguranju pouzdanosti cele mreže kroz svoju sigurnu i stabilnu operaciju. Relejna zaštita služi kao prva linija odbrane za sigurno funkcionisanje podstacija. Tačnost i brzina relejne zaštite direktno se odnose na stabilnost sistema snabdevanja električnom energijom. Stoga je efektivno otkrivanje informacija o greškama relejne zaštite podstacija, ubrzano otkrivanje i rešavanje potencijalnih grešaka, izuzetno važno za održavanje sigurne operacije sistema snabdevanja električnom energijom.

Tradicionalni metodi otkrivanja grešaka relejne zaštite uglavnom se oslanjaju na ručne inspekcije i redovne održavane. Ovi metodi nisu samo vremenski zahtevni i trudno intenzivni, već ne mogu da ostvare stvarno-vremensko praćenje. Kao rezultat, lako propuste ranih signala grešaka. Sa kontinuiranim razvojem informacionih tehnologija, posebno napretkom računarske i komunikacione tehnologije, moderni sistemi otkrivanja informacija o greškama relejne zaštite u podstacijama počeli su da koriste automatizovane metode. Kroz stvarno-vremensku prikupljanje podataka, ovi sistemi mogu da postignu stvarno-vremensko praćenje stanja relejne zaštite i brzo lokiranje grešaka.

Stoga ovaj rad predlaže sistem otkrivanja informacija o greškama relejne zaštite u podstaciji baziran na modernim informacionim tehnologijama i detaljno elaborira njegovu hardversku strukturu, softverski dizajn i eksperimentalne rezultate.

II. Dizajn hardverske strukture sistema
(1) Glavni računar

Dizajn glavnog računara direktno utiče na performanse celog sistema. Njegova hardverska struktura koristi C8051F040 jednocrveni mikrokontroler kao centralni procesor. C8051F040 jednocrveni mikrokontroler je visoko-performantni i niskopotrosni mikrokontroler koji integriše obilne periferijske resurse, uključujući analogni i digitalne I/O porte, tajmer/branaca, UART, SPI i I2C komunikacione interfejse, itd. Ove karakteristike čine C8051F040 idealnim za centralni procesor glavnog računara, sposobnim da ispunjava zahteve za brzu obradu podataka i složenu logiku upravljanja.

Da bi se osigurala stvarno-vremenska nadzorna sposobnost sistema, u dizajnu glavnog računara koristi se visokoperformantna nadzorna jedinica. Ova jedinica obično uključuje visokobrzinski ADC (Analog-to-Digital Converter), DAC (Digital-to-Analog Converter), kao i merne krugove napona i struje. Može stvarno-vremenski prikupljati i pretvarati električne parametre, obezbeđujući tačne podatke za dijagnostiku grešaka.

Takođe, glavni računar mora komunicirati sa donjim računarom i udaljenim centrom nadzora. Dizajn uključuje različite komunikacione interfejse, poput RS-232, RS-485 i Eternet. Ovi interfejsi obezbeđuju brzu prenosu podataka i mogućnost udaljenog upravljanja.

Za olakšanje operaterima u nadzoru i upravljanju sistemom, glavni računar je opremljen čovek-mašina interaktivnim interfejsom, obično sastavljenim od LCD ekrana i tastature. Operateri mogu koristiti ove interfejse za stvarno-vremenski pregled stanja sistema.

(2) Senzor za detekciju izolacije

Da bi se ispunili zahtevi za renovacijom DC sistema u starih elektrana i podstacija, osoblje je dizajniralo visokotachni odvojivi senzor za detekciju izolacije. Koristeći napredne elektronske tehnologije i materijale, ovaj senzor poseduje visoku osjetljivost, visoku stabilnost i dug životni vijek, i može stabilno raditi čak i u teškim uslovima.

Visoka tačnost je ključni pokazatelj performansi senzora za detekciju izolacije. Korišćenjem naprednih algoritama detekcije i elektronskih komponenti, može tačno detektovati male promene izolacije, obezbeđujući tačnost i pravo-vremenskost informacija o greškama.

Nadogradnjom i renovacijom termoizolacijskih uređaja DC sistema u starih elektrana i podstacija, korišćenjem visokotachnih odvojivih senzora za detekciju izolacije, bezbednost sistema se značajno povećava. Ovi senzori imaju sposobnost visokotachne detekcije i mogu brzo otkriti greške izolacije, time efektivno sprečavajući nastanak nesreća.

(3) Modul rane detekcije

Da bi se poboljšala tačnost i brzina ranog upozorenja, ovaj modul obično integriše dvostruki mehanizam aktivnog i pasivnog ranog upozorenja.

Aktivno rano upozorenje znači da sistem proaktivno detektuje električne parametre. Čim parametri odstupaju od normalnog opsega, odmah se aktivira signal ranog upozorenja. Aktivno rano upozorenje obično se oslanja na visokoperformantne senzore i uređaje za prikupljanje podataka. Ovi uređaji mogu stvarno-vremenski nadgledati ključne parametre, poput struje, napona i frekvencije, i analizirati relevantne podatke putem ugrađenih algoritama kako bi se odredilo da li postoje potencijalni rizici od grešaka. Pasivno rano upozorenje, s druge strane, uključuje analizu relevantnih električnih parametara i slanje signala ranog upozorenja nakon što sistem primi vanjske signale. Na primer, kada se relejna zaštitna oprema u podstaciji aktivira, pasivni modul ranog upozorenja odmah će biti aktiviran kako bi se analizirala uzrok aktivacije i odredilo da li su potrebne dalje mere, kao što je prikazano na Slici 1.

Slika 1 Dizajn hardverske strukture

U dizajnu hardverske strukture modula rane detekcije, kombinovanje aktivnog i pasivnog ranog upozorenja značajno unapređuje sposobnosti rane detekcije i brzinu odgovora sistema. Aktivno rano upozorenje može stvarno-vremenski nadgledati električne parametre i brzo identifikovati potencijalne rizike od grešaka; dok pasivno rano upozorenje može brzo reagovati kada se dogode specifični događaji i provesti dublju analizu uzroka grešaka.

Da bi se efektivno kombinirali ova dva metoda rane detekcije, u dizajnu hardvera treba razmotriti sledeće ključne elemente:

• Izbor senzora i uređaja za prikupljanje podataka: Moraju se izabrati visokotachni senzori i uređaji za prikupljanje podataka kako bi se osigurala tačnost podataka.

• Sposobnosti obrade i analize podataka: Modul rane detekcije treba da poseduje moćne sposobnosti obrade i analize podataka kako bi brzo identifikovao anormalne podatke i donio zaključke o ranom upozorenju.

• Komunikacioni interfejsi i protokoli: Modul treba da podržava više komunikacionih interfejsa i protokola kako bi omogućio razmenu podataka sa drugim sistemima ili uređajima.

• Pouzdanost: Dizajn hardvera treba da osigura da modul može stabilno raditi u ekstremnim uslovima i da primeni potrebne sigurnosne mere kako bi se sprecila pogrešna operacija i neautorizovani pristup.

III. Dizajn softvera sistema
(1) Simulacija modeliranja karakteristika opterećenja greškom

Jezgro sistema otkrivanja informacija o greškama relejne zaštite u podstaciji leži u dizajnu softverske strukture, posebno u izgradnji statičkih i dinamičkih modela opterećenja. Ovi modeli ciljaju da opišu aktivnu i reaktivnu snagu opterećenja tokom operacije sistema, kao i sporim promenama napona i frekvencije, i obično se izražavaju polinomskim modelima. Statički model opterećenja obično se izražava kao:

gde P i Q predstavljaju aktivnu i reaktivnu snagu, V je napon, P0, Q0, V0 su vrednosti u referentnom stanju, a n i m su koeficijenti karakteristika opterećenja.

Dinamički model opterećenja je relativno kompleksan. Uzima u obzir dinamički odgovor opterećenja na promene napona i frekvencije, uključujući više vremenskih konstanti kako bi simulirao brzinu odziva opterećenja na promene napona i frekvencije. Dinamički model opterećenja može se izraziti serijom diferencijalnih jednačina koje opisuju brzinu promene snage opterećenja tokom vremena.

U dizajnu softverske strukture, ovi modeli su integrirani u sistem otkrivanja informacija o greškama relejne zaštite kako bi se stvarno-vremenski nadgledao i analizirao status rada podstacije. Sistem prikuplja stvarno-vremenske podatke, uključujući struju, napon, snagu, itd., i koristi ove modele za izračunavanje kako bi znanstveno identifikovao potencijalne greške.

(2) Prikupljanje informacija o greškama

Da bi se osigurala pouzdanost relejne zaštitne opreme, dizajn sistema otkrivanja informacija o greškama je posebno važan, posebno deo prikupljanja informacija o greškama. Ovaj deo obično se deli na tri modula: prikupljanje informacija o stabilnom stanju, prikupljanje privremenih informacija i upravljanje status datotekama.

Modul prikupljanja informacija o stabilnom stanju glavno je odgovoran za prikupljanje električnih parametara podstacije tokom normalne operacije, kao što su napon, struja, snaga, itd. Ovi podaci su osnova za procenu statusa rada mreže i takođe su važni za analizu i predviđanje grešaka. Ovaj modul obično uključuje tri podmodula: prikupljanje podataka, obrada podataka i čuvanje podataka. Podmodul prikupljanja podataka stvarno-vremenski prikuplja električne parametre kroz interfejs sa sistemom nadzora podstacije; podmodul obrade podataka vrši prethodnu analizu prikupljenih podataka, uklanja anomalne vrednosti i formatira podatke; podmodul čuvanja podataka čuva obrađene podatke u bazi podataka za kasniju analizu.

Modul prikupljanja privremenih informacija fokusira se na hvatanje privremenih događaja u mreži, kao što su kratki spojevi, otvoreni spojevi i druge greške. Ovi privremeni događaji često dolaze uz oštre promene električnih parametara, stoga su potrebni brzi i precizni uređaji za prikupljanje podataka. Ovaj modul obično uključuje tri podmodula: brzo prikupljanje podataka, identifikacija privremenih događaja i čuvanje podataka o događajima. Podmodul brzog prikupljanja podataka može beležiti promene električnih parametara sa mikrosekundnom rezolucijom; podmodul identifikacije privremenih događaja odlučuje da li je došlo do greške i tačno identifikuje tip greške prema predefinisanim algoritmima; podmodul čuvanja podataka o događajima čuva identifikovane informacije o grešci u specifičnoj bazi podataka, što je korisno za detaljniju analizu stručnjaka.

Modul upravljanja status datotekama je odgovoran za upravljanje i održavanje status datoteka relejne zaštitne opreme u podstaciji, i detaljno beleži ključne informacije, kao što su detalji konfiguracije, status rada i povijest grešaka zaštitne opreme. Glavno uključuje četiri podmodula: generisanje status datoteka, ažuriranje, upit i arhiviranje. Podmodul generisanja generiše inicijalnu status datoteku prema stvarnoj konfiguraciji zaštitne opreme; podmodul ažuriranja ažurira status datoteku kada se promene parametri ili konfiguracija opreme; podmodul upita omogućava korisnicima da upitu informacije u status datoteci; podmodul arhiviranja redovno arhivira status datoteku kako bi se efikasno sprecila gubitak podataka.

(3) Detekcija informacija o greškama

Kada sloj kontrolnog stanja primi alarmnu informaciju "Greška u mreži spojenih A-linija" od relejne zaštite, sistem treba odmah započeti proces detekcije informacija o greškama kako bi se potvrdilo da li je ova alarmna informacija jedini izvor, tj. da li su i drugi uređaji emitirali slične alarme. U ovom primeru, ako drugi uređaji ne emitiraju alarme, sistem će se fokusirati na informacije o "Grešci u mreži spojenih A-linija".

Da bi se efektivnije obradile i analizirale informacije o greškama, sistem dizajnira pet kombinacija virtualnih terminala i čvorova grešaka, kao što je prikazano u Tabeli 1.

Svaki virtualni terminal je odgovoran za različite zadatke, od nadzora statusa mreže do pružanja rešenja, formirajući kompletni proces rukovanja greškama. Kroz gore navedeni dizajn softverske strukture, sistem otkrivanja informacija o greškama relejne zaštite u podstaciji može efektivno detektovati informacije o greškama i osigurati sigurnu operaciju podstacije. Posebno kada primi alarm o "Grešci u mreži spojenih A-linija", sistem može brzo reagovati i preduzeti odgovarajuće mere kako bi se smanjio uticaj greške na sistem snabdevanja električnom energijom.

IV. Eksperimentalna verifikacija
(1) Struktura mreže

Dizajn strukture mreže sistema otkrivanja informacija o greškama relejne zaštite u 500 kV podstaciji koja je uvedena u funkciju 2023. godine strogo se drži ključnih principa visoke pouzdanosti, dostupnosti i lakog održavanja. Ovaj sistem koristi hijerarhijsku i distribuiranu arhitekturu mreže, a njegove implementacije su dobro organizovane, uključujući sledeće korake.

• Prikupljanje podataka: Kroz senzore i uređaje za prikupljanje podataka instalirane na različitim ključnim čvorovima podstacije, stvarno-vremenski se prikupljaju operativni podaci relejne zaštitne opreme.

• Prenos podataka: Koristeći tehnologiju mrežne komunikacije, prikupljeni podaci se stvarno-vremenski i tačno prenose u centar obrade podataka.

• Analiza podataka: U centru obrade podataka, visoko-performantni računari i profesionalni programi za analizu koriste se za analizu podataka, identifikaciju anomalnih uzoraka i potencijalnih grešaka.

• Dijagnostika grešaka: Nakon što se detektuje anomalija, sistem automatski vrši dijagnostiku grešaka kako bi se odredio tip i lokacija greške.

• Alarm i odgovor: Sistem obaveštava osoblje za održavanje o informacijama o greškama kroz sistem alarmiranja i pruža predloge za početnu obradu grešaka.

• Obrada grešaka: Osoblje za održavanje može brzo preduzeti mere za obradu grešaka na osnovu informacija i predloga pruženih od strane sistema, time osiguravajući stabilnu operaciju mreže.

(2) Eksperimentalni rezultati i analiza

U eksperimentu su korišćena dva sistema detekcije: jedan je konvencionalni sistem online detekcije sekundarnog kruga relejne zaštite podstacije temeljen na SCD datoteci, a drugi je sistem otkrivanja informacija o greškama relejne zaštite podstacije temeljen na prostorno-vremenskoj analizi. Obje su testirane u istoj okolini podstacije kako bi se osigurala usporedivost rezultata [8].

Eksperimentalni podaci pokazuju da su maksimalni izolacioni naponi pozitivne i negativne busne mere sistema detekcije temeljenog na SCD datoteci 192.1 V i 191.4 V redom, dok su odgovarajuće vrednosti mere sistoma detekcije temeljenog na prostorno-vremenskoj analizi 190.3 V i 210.23 V redom. Specifični podaci su prikazani u Tabeli 2.

Iz eksperimentalnih rezultata može se videti da sistem detekcije temeljen na prostorno-vremenskoj analizi ima malo nižu maksimalnu vrednost izolacionog napona za pozitivnu busnu u odnosu na sistem detekcije temeljen na SCD datoteci, ali malo višu vrednost za negativnu busnu. To ukazuje na to da sistem detekcije temeljen na prostorno-vremenskoj analizi može pružiti tačnije rezultate mere u određenim situacijama. Međutim, ova razlika nije značajna. Stoga, kako bi se steklo dublje razumevanje razlike u performansama ova dva sistema, može biti potrebno da se dodatno sakupi i analizira veliki broj eksperimentalnih podataka.

V. Zaključak

Novi sistem otkrivanja informacija o greškama relejne zaštite u podstaciji dizajniran i istražen u ovom radu može stvarno-vremenski nadgledati radni status relejne zaštitne opreme, automatski analizirati i dijagnosticirati informacije o greškama, i stvarno-vremenski prenositi informacije o greškama osoblju za održavanje putem tehnologije mrežne komunikacije. Ovo omogućuje da oni preduzmu brze mere kako bi se sprečilo širenje grešaka i osigurala sigurna i stabilna operacija sistema snabdevanja električnom energijom.