Designen av skyddsreläfelts felinformationsdetekteringssystem
I. Introduktion
Under de senaste åren har det med den kontinuerliga utvidgningen av strömnätets skala blivit allt viktigare att underhålla säkerheten i hela nätet genom säkert och stabilt driftsätt av kraftstationer, som är viktiga nodpunkter i energisystemet. Reläskydd fungerar som första linjen av försvar för kraftstationers säkra drift. Reläskyddens noggrannhet och snabbhet är direkt relaterade till energisystemets stabilitи. Därför är det av stor betydelse att effektivt identifiera felinformation i kraftstationernas reläskyddssystem, snabbt upptäcka och hantera potentiella fel, för att säkerställa energisystemets säkra drift.
Traditionella metoder för att identifiera reläskyddsfel beror huvudsakligen på manuella inspektioner och regelbundet underhåll. Dessa metoder är inte bara tidskrävande och arbetskrävande, utan kan inte heller uppnå realtidsövervakning. Därför kan de lätt missa tidiga felsignaler. Med den kontinuerliga utvecklingen av informationsteknik, särskilt framstegen inom dator- och kommunikationsteknik, har moderna kraftstationsreläskyddsfelinformationssystem börjat använda automatiserade metoder. Genom realtidsdatainsamling kan dessa system uppnå realtidsövervakning av reläskyddstillståndet och snabbt lokalisera fel.
Därför föreslår denna artikel ett kraftstationsreläskyddsfelinformationssystem baserat på modern informationsteknik och beskriver i detalj dess hårdvarustruktur, programvarudesign och experimentella resultat.
II. Design av Systemets Hårdvarustruktur
(1) Värd-dator
Designen av värd-datorn påverkar direkt prestandan hos hela systemet. Dess hårdvarustruktur använder C8051F040-mikrodatorn som kärnprocessor. C8051F040-mikrodatorn är en högpresterande och lågkonsumtion blandad signal mikrokontroller som integrerar rika periferiresurser, inklusive analoga och digitala I/O-portar, timer/räknare, UART, SPI och I2C-kommunikationsgränssnitt, bland andra. Dessa egenskaper gör C8051F040 mycket lämplig som kärnprocessor för värd-datorn, kapabel att möta kraven på höghastighetsdataprocessering och komplex styrlogik.
För att säkerställa systemets realtidsövervakningsförmåga används en högpresterande övervakningsenhet i designen av värd-datorn. Denna enhet inkluderar vanligtvis en höghastighets ADC (Analog-to-Digital Converter), DAC (Digital-to-Analog Converter) samt spännings/strömsövervakningskretsar. Den kan samla in och konvertera elektriska parametrar i realtid, vilket ger exakt dataunderlag för felanalys.
Samtidigt behöver värd-datorn kommunicera med nedre dator och fjärrövervakningscentrum. Designen inkluderar olika kommunikationsgränssnitt, såsom RS-232, RS-485 och Ethernet. Dessa gränssnitt säkerställer snabb dataöverföring och möjlighet till fjärrstyrning.
För att underlätta operatörerna i övervakning och styrning av systemet är värd-datorn också utrustad med en människo-maskinteraktionsgränssnitt, vanligtvis bestående av en LCD-skärm och ett tangentbord. Operatörer kan använda dessa gränssnitt för att se systemstatusen i realtid.
(2) Isolationsdetekteringssensor
För att möta ombyggnadsbehoven för DC-system i gamla kraftverk och kraftstationer har personalen utformat en högprecision löstagbar isolationsdetekteringssensor. Genom att använda avancerade elektroniska tekniker och material har denna sensor hög känslighet, hög stabilitet och lång livslängd, och den kan verka stabil även i hårda miljöer.
Hög precision är en viktig prestandaindikator för isolationsdetekteringssensorn. Genom att använda avancerade detekteringsalgoritmer och elektroniska komponenter kan den exakt identifiera små isolationsförändringar, vilket garanterar felinformationens noggrannhet och aktuellhet.
Genom att uppgradera och ombygga värmeisoleringen i DC-system i gamla kraftverk och kraftstationer och använda högprecision löstagbara isolationsdetekteringssensorer kan systemets säkerhet markant ökas. Dessa sensorer har förmågan att göra högprecision mätningar och kan snabbt identifiera isolationsfel, vilket effektivt förhindrar olyckors inträffande.
(3) Tidig varningssökningsmodul
För att förbättra tidig varningens noggrannhet och respons tid, integrerar denna modul vanligtvis en dual mekanism av aktiv tidig varning och passiv tidig varning.
Aktiv tidig varning innebär att systemet proaktivt identifierar elektriska parametrar. När parametrarna avviker från det normala området utlöses en tidig varningsignal omedelbart. Aktiv tidig varning beror vanligtvis på högpresterande sensorer och datainsamlingsenheter. Dessa enheter kan övervaka viktiga parametrar som ström, spänning och frekvens i realtid och analysera relevant data via inbyggda algoritmer för att fastställa om det finns potentiella felfaror. Passiv tidig varning innebär att relevanta elektriska parametrar analyseras och en tidig varningsignal ges efter att systemet mottagit externa signaler. Till exempel, när reläskyddsinrättningen i kraftstationen agerar, aktiveras den passiva tidig varningsmodulen omedelbart för att analysera orsaken till operationen och fastställa om ytterligare åtgärder krävs, som visas i figur 1.
Figur 1 Hårdvarustrukturens design
I hårdvarustrukturens design av tidig varningssökning, kan kombinationen av aktiv tidig varning och passiv tidig varning markant förbättra systemets tidig varningsförmåga och responstid. Aktiv tidig varning kan övervaka elektriska parametrar i realtid och snabbt identifiera potentiella felfaror, medan passiv tidig varning kan reagera snabbt vid specifika händelser och utföra djupgående analys av felets orsaker.
För att effektivt kombinera dessa två tidig varningsmetoder måste följande viktiga element beaktas i hårdvarudesignen:
Val av sensorer och datainsamlingsenheter: Högprecisionssensorer och datainsamlingsenheter måste väljas för att säkerställa datanoggrannhet.
Datahantering och analysförmåga: Tidig varningsövervakningsmodulen bör ha kraftfulla datahanterings- och analysförmågor för att snabbt identifiera avvikande data och göra tidig varningsbedömningar.
Kommunikationsgränssnitt och protokoll: Modulen bör stödja flera kommunikationsgränssnitt och protokoll för att underlätta datautbyte med andra system eller enheter.
Tillförlitlighet: Hårdvarudesignen bör säkerställa att modulen kan fungera stabilt i extrema miljöer och anta nödvändiga säkerhetsåtgärder för att förhindra felaktig drift och olaglig tillgång.
III. Systemets Programvarudesign
(1) Simulering och modellering av felbelastningskarakteristika
Kärnan i kraftstationsreläskyddsfelinformationssystemet ligger i dess programvarustrukturdesign, särskilt konstruktionen av statiska och dynamiska belastningsmodeller. Dessa modeller syftar till att beskriva belastningens aktiv och reaktiv effekt under systemets drift, samt de långsamma förändringarna i spänning och frekvens, och uttrycks vanligtvis med polynomiska modeller. Statiska belastningsmodeller uttrycks vanligtvis som:
där P och Q representerar aktiv och reaktiv effekt respektive, V är spänningen, P0, Q0, V0 är värdena i referensläget, och n och m är belastningskarakteristiska koefficienter.
Den dynamiska belastningsmodellen är mer komplex. Den tar hänsyn till belastningens dynamiska svar på förändringar i spänning och frekvens, inklusive flera tidkonstanter för att simulera belastningens svars hastighet på spännings- och frekvensförändringar. Den dynamiska belastningsmodellen kan uttryckas som en serie differentialekvationer som beskriver effektens ändring över tid.
I programvarustrukturdesignen integreras dessa modeller i reläskyddsfelinformationssystemet för att övervaka och analysera kraftstationens driftstatus i realtid. Systemet samlar in realtidsdata, inklusive ström, spänning, effekt, etc., och använder dessa modeller för beräkningar för att vetenskapligt identifiera potentiella felvillkor.
(2) Insamling av felinformation
För att säkerställa reläskyddsinrättningarnas tillförlitlighet är designen av felinformationssökningssystemet särskilt viktig, särskilt delen för insamling av felinformation. Denna del är vanligtvis indelad i tre moduler: insamling av stillastående informationsdata, insamling av övergångsdata och statusfilshantering.
Modulen för insamling av stillastående informationsdata ansvarar huvudsakligen för att samla in elektriska parametrar i kraftstationen under normal drift, som spänning, ström, effekt, etc. Dessa data är grunden för att utvärdera strömnätets driftstatus och är också viktiga för felanalys och prognos. Denna modul innehåller vanligtvis tre undermoduler: datainsamling, dataprocessering och datalagring. Undermodulen för datainsamling erhåller elektriska parametrar i realtid genom gränssnittet med kraftstationsövervakningssystemet; undermodulen för dataprocessering utför en preliminär analys av de insamlade data, tar bort avvikande värden och formaterar data; undermodulen för datalagring lagrar de bearbetade data i en databas för efterföljande analys.
Modulen för insamling av övergångsdata fokuserar på att fånga övergångshändelser i strömnätet, som kortslutningar, öppna kretsar och andra fel. Dessa övergångshändelser är ofta följda av skarpa förändringar i elektriska parametrar, så höghastighets- och högprecision datainsamlingsutrustning krävs. Denna modul innehåller vanligtvis tre undermoduler: höghastighetsdatainsamling, identifiering av övergångshändelser och lagring av händelsedata. Undermodulen för höghastighetsdatainsamling kan registrera förändringar av elektriska parametrar med mikrosekunds-upplösning; undermodulen för identifiering av övergångshändelser bedömer om ett fel har inträffat och identifierar feltypen exakt enligt förinställda algoritmer; undermodulen för lagring av händelsedata lagrar den identifierade felinformationen i en specifik databas, vilket gynnar djupgående analys av personalen.
Statusfilhanteringsmodulen ansvarar för hantering och underhåll av statusfiler för kraftstationsreläskyddsinrättningar, och den dokumenterar viktig information som konfigurationsdetaljer, driftstatus och historiska felregister för skyddsinrättningar i detalj. Den innehåller huvudsakligen fyra undermoduler: generering av statusfiler, uppdatering, fråga och säkerhetskopia. Genereringsundermodulen genererar en initial statusfil enligt den faktiska konfigurationen av skyddsinrättningarna; uppdateringsundermodulen uppdaterar statusfilen när enhetens parametrar eller konfiguration ändras; frågeundermodulen tillåter användare att fråga information i statusfilen; säkerhetskopiaundermodulen säkerhetskopierar statusfilen regelbundet för att effektivt undvika dataförlust.
(3) Felinformationssökning
När stationsskyddslaget mottar larminformationen "A-linje sammanslagna nätverksanslutningsfel" från reläskyddet bör systemet omedelbart starta felinformationssökningprocessen för att bekräfta om detta larm är den enda källan, det vill säga, om andra enheter också har gett liknande larm. I detta exempel kommer systemet att fokusera på informationen om "A-linje sammanslagna nätverksanslutningsfel" om andra enheter inte ger larm.
För att effektivt bearbeta och analysera felinformation har systemet utformat fem kombinationer av virtuella terminaler och felnoder, som visas i tabell 1.
Varje virtuell terminal ansvarar för olika uppgifter, från övervakning av nätverksanslutningsstatus till att erbjuda lösningar, vilket bildar en komplett feldetaljprocess. Genom ovan nämnda programvarustrukturdesign kan kraftstationsreläskyddsfelinformationssystemet effektivt identifiera felinformation och säkerställa kraftstationens säkra drift. Särskilt när det mottar larmet "A-linje sammanslagna nätverksanslutningsfel", kan systemet snabbt reagera och vidta motsvarande åtgärder för att minimera felets inverkan på strömnätet.
IV. Experimentell verifiering
(1) Nätverks topologi struktur
Nätverkstopologistrukturdesignen för reläskyddsfelinformationssystemet för 500 kV kraftstation som tagits i drift 2023 håller strikt till de centrala principerna om hög tillförlitlighet, hög tillgänglighet och lätthet i underhåll. Detta system använder en hierarkisk och distribuerad nätverksarkitektur, och dess implementeringssteg är välorganiserade, huvudsakligen inkluderar följande länkar.
Datainsamling: Genom sensorer och datainsamlingsenheter installerade vid olika nyckelpunkter i kraftstationen samlas reläskyddsinrättningarnas driftdata in i realtid.
Datatransmission: Genom nätverkskommunikationsteknik överförs de insamlade data till datahanteringscentret på ett korrekt och snabbt sätt.
Dataanalys: I datahanteringscentret används högpresterande datorer och professionell analysprogramvara för att analysera data, identifiera avvikande mönster och potentiella fel.
Feldiagnos: När ett avvikande upptäcks, utför systemet automatiskt feldiagnos för att fastställa felets typ och plats.
Larm och respons: Systemet notifierar drift- och underhållspersonal om felinformationen genom larmsystemet och ger förslag på inledande felhantering.
Felhantering: Drift- och underhållspersonal kan snabbt vidta åtgärder för att hantera felet enligt felinformationen och förslagen från systemet, vilket säkerställer strömnätets stabila drift.
(2) Experimentella resultat och analys
Två detekteringssystem användes i experimentet: det ena är det traditionella kraftstationsreläskyddsekundärcirkuitsonline-detekteringssystemet baserat på SCD-filen, och det andra är kraftstationsreläskyddsfelinformationssystemet baserat på rumligt-tidligt analys. Båda systemen testades i samma kraftstationsmiljö för att säkerställa jämförelsebarheten av resultaten [8].
Experimentdata visar att de maximala isolationsvoltager för positiva och negativa busbarerna mättes av detekteringssystemet baserat på SCD-filen till 192,1 V och 191,4 V respektive, medan motsvarande värden mättes av detekteringssystemet baserat på rumligt-tidligt analys till 190,3 V och 210,23 V respektive. De specifika data visas i tabell 2.
Från experimentresultaten kan man se att detekteringssystemet baserat på rumligt-tidligt analys har ett något lägre maximalt isolationsvoltsvärde för den positiva busbaren jämfört med detekteringssystemet baserat på SCD-filen, men ett något högre värde för den negativa busbaren. Detta indikerar att detekteringssystemet baserat på rumligt-tidligt analys kan ge mer exakta mätresultat i vissa situationer. Dock är denna skillnad inte signifikant. Därför kan det vara nödvändigt att samla in och analysera en stor mängd experimentdata för att få en mer djupgående förståelse av prestandaskiljanden mellan dessa två system.
V. Slutsats
Det nya kraftstationsreläskyddsfelinformationssystem som utformats och studerats i denna artikel kan övervaka reläskyddsinrättningarnas driftstatus i realtid, automatiskt analysera och diagnostisera felinformation, och snabbt skicka felinformationen till drift- och underhållspersonal genom nätverkskommunikationsteknik. Detta gör det möjligt för dem att snabbt vidta åtgärder för att förhindra utbredning av fel och säkerställa energisystemets säkra och stabila drift.
