Alt Taşınım İstasyonu Röle Koruma Arızası Bilgi Tespit Sistemi Tasarımı
I. Giriş
Son yıllarda, elektrik şebekesinin sürekli genişlemesiyle birlikte, alt istasyonlar, güç sisteminin kritik düğümleri olarak, güvenli ve kararlı işletimleri aracılığıyla tüm şebeke güvenilirliğinin sağlanması konusunda hayati bir rol oynamaktadır. Röle koruması, alt istasyonların güvenli çalışması için ilk savunma hattıdır. Röle korumasının doğruluğu ve hızı, güç sisteminin istikrarıyla doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle, alt istasyon röle koruma sisteminin hatası bilgilerini etkili bir şekilde tespit etmek, potansiyel hataları zamanında tanımlamak ve çözmek, güç sisteminin güvenli işlemesi için büyük önem taşımaktadır.
Röle koruma hatalarını tespit etme konusundaki geleneksel yöntemler genellikle manuel incelemelere ve düzenli bakımlara dayanmaktadır. Bu yöntemler hem zaman alıcı hem de işçilik gerektiren olup, gerçek zamanlı izleme sağlanmasını sağlayamaz. Bu nedenle, hata sinyallerinin erken aşamalarını kaçırma eğilimindedir. Bilgi teknolojisinin sürekli gelişmesi, özellikle bilgisayar teknolojisi ve iletişim teknolojisinin ilerlemeleriyle birlikte, modern alt istasyon röle koruma hatası bilgi tespit sistemleri otomatik metotları benimsemiştir. Gerçek zamanlı veri toplama yoluyla bu sistemler, röle koruma durumunu gerçek zamanlı olarak izleyebilir ve hataları hızlıca bulabilirler.
Bu nedenle, bu makale, modern bilgi teknolojisine dayalı bir alt istasyon röle koruma hatası bilgi tespit sistemi öneriyor ve donanım yapısını, yazılım tasarımını ve deneysel sonuçlarını ayrıntılı olarak ele alıyor.
II. Sistem Donanım Yapısının Tasarımı
(1) Ana Bilgisayar
Ana bilgisayarın tasarımı, sistemin performansını doğrudan etkiler. Donanım yapısı, C8051F040 tek çip mikrobilgisayarı merkezi işlemci olarak kullanır. C8051F040 tek çip mikrobilgisayarı, yüksek performanslı ve düşük enerji tüketimli karma sinyal mikrodenetleyicisidir ve analog ve dijital I/O portları, zamanlayıcı/sayaçlar, UART, SPI ve I2C iletişim arayüzleri dahil zengin çevre birim kaynaklarına sahiptir. Bu özellikler, C8051F040'nin ana bilgisayarın merkezi işlemci olarak yüksek hızlı veri işleme ve karmaşık kontrol mantığı gereksinimlerini karşılamak için oldukça uygun hale getirir.
Sistemin gerçek zamanlı izleme yeteneğini sağlamak amacıyla, ana bilgisayarın tasarımı içinde yüksek performanslı bir izleme birimi kullanılır. Bu birim genellikle yüksek hızlı ADC (Analog-Dijital Dönüştürücü), DAC (Dijital-Analog Dönüştürücü) ve gerilim/akım izleme devreleri içerir. Gerçek zamanlı olarak elektrik parametrelerini toplayıp dönüştürebilir, hata tanılaması için doğru veri desteği sağlar.
Ayrıca, ana bilgisayar alt bilgisayar ve uzaktan izleme merkezi ile iletişim kurmalıdır. Tasarım, RS-232, RS-485 ve Ethernet gibi çeşitli iletişim arayüzlerini içerir. Bu arayüzler, verilerin hızlı iletimini ve uzaktan kontrol yeteneğini sağlar.
Operatörlerin sistemi izleme ve kontrol etmesini kolaylaştırmak için, ana bilgisayar ayrıca insan-makineli etkileşim arayüzüne sahiptir, genellikle LCD ekranı ve klavyeden oluşur. Operatörler, bu arayüzleri kullanarak sistemin gerçek zamanlı durumunu görebilir.
(2) yalıtım algılama sensörü
Eski güç santrallerinde ve alt istasyonlarda DC sistemlerin yeniden yapılanması gerekliliklerini karşılamak için, personel yüksek hassasiyetli ve sökülebilir bir yalıtım algılama sensörü tasarlamıştır. Gelişmiş elektronik teknolojiler ve malzemeler kullanılarak geliştirilen bu sensör, yüksek hassasiyet, yüksek istikrar ve uzun ömürlülük özellikleri sunar ve zorlu ortamlarda bile stabil çalışabilir.
Yüksek hassasiyet, yalıtım algılama sensörünün kilit performans göstergesidir. Gelişmiş algılama algoritmaları ve elektronik bileşenler kullanılarak, küçük yalıtım değişikliklerini hassas bir şekilde tespit edebilir, hata bilgilerinin doğruluğunu ve zamanında elde edilmesini sağlar.
Eski güç santrallerinde ve alt istasyonlardaki DC sistemlerin yalıtım cihazlarının güncellenmesi ve iyileştirilmesi, yüksek hassasiyetli sökülebilir yalıtım algılama sensörlerinin kullanılmasıyla beraber, sistemin güvenliği önemli ölçüde artırılabilir. Bu sensörler, yüksek hassasiyetli algılama yeteneğine sahip olup, yalıtım hatalarını hızlıca tespit ederek, kazaların yaşanmasını etkili bir şekilde önleyebilir.
(3) Erken Uyarı Algılama Modülü
Erken uyarıların doğruluğunu ve tepki süresini artırmak amacıyla, bu modül genellikle aktif ve pasif erken uyarı mekanizmasını birleştirir.
Aktif erken uyarı, sistemin elektrik parametrelerini kendi kendine tespit etmesi anlamına gelir. Parametreler normal aralık dışına çıktığında, hemen bir erken uyarı sinyali tetiklenir. Aktif erken uyarı genellikle yüksek performanslı sensörler ve veri toplama cihazlarına dayanır. Bu cihazlar, akım, gerilim ve frekans gibi kritik parametreleri gerçek zamanlı olarak izleyebilir ve içsel algoritmalar aracılığıyla ilgili verileri analiz ederek potansiyel hata risklerini belirleyebilir. Pasif erken uyarı ise, sistem dış sinyaller aldıktan sonra ilgili elektrik parametrelerini analiz ederek erken uyarı sinyali gönderir. Örneğin, alt istasyondaki röle koruma cihazı çalıştığında, pasif erken uyarı modülü hemen etkinleşir, çalışma sebebini analiz eder ve daha fazla işlem gerektirip gerektirmediğini belirler, Şekil 1'de gösterildiği gibi.
Şekil 1 Donanım Yapı Tasarımı
Erken uyarı algılama modülünün donanım yapı tasarımı sırasında, aktif ve pasif erken uyarı mekanizmalarının birleştirilmesi, sistemin erken uyarı yeteneğini ve tepki süresini önemli ölçüde artırabilir. Aktif erken uyarı, elektrik parametrelerini gerçek zamanlı olarak izleyerek potansiyel hata risklerini hızlıca tespit edebilir; pasif erken uyarı ise belirli olaylar olduğunda hızlı tepki verebilir ve hata nedenlerini derinlemesine analiz edebilir.
Bu iki erken uyarı yönteminin etkili bir şekilde birleştirilmesi için, donanım tasarımı sırasında aşağıdaki temel unsurlar göz önünde bulundurulmalıdır:
Sensörlerin ve veri toplama cihazlarının seçimi: Veri doğruluğunu sağlamak için yüksek hassasiyetli sensörler ve veri toplama cihazları seçilmelidir.
Veri işleme ve analiz yetenekleri: Erken uyarı izleme modülü, anormal verileri hızlıca tespit edebilir ve erken uyarı kararları verebilmek için güçlü veri işleme ve analiz yeteneklerine sahip olmalıdır.
İletişim arayüzleri ve protokoller: Modül, diğer sistemler veya cihazlarla veri alışverişini sağlamak için birden fazla iletişim arayüzü ve protokolü desteklemelidir.
Güvenilirlik: Donanım tasarımı, modülün aşırı ortamlarda stabil çalışabilmesini sağlamalı ve yanlış işlemler ve yetkisiz erişime karşı gerekli güvenlik önlemlerini almalıdır.
III. Sistem Yazılım Tasarımı
(1) Hata Yük Özelliklerinin Simülasyon Modellemesi
Alt istasyon röle koruma hatası bilgi tespit sisteminin çekirdeği, özellikle statik ve dinamik yük modellerinin oluşturulması olan yazılım yapı tasarımındadır. Bu modeller, sistem çalışırken yükün aktif ve reaktif gücünü, gerilimin ve frekansın yavaş değişimlerini tanımlamayı amaçlar ve genellikle polinom modelleri kullanılarak ifade edilir. Statik yük modeli genellikle şu şekilde ifade edilir:
burada P ve Q sırasıyla aktif ve reaktif gücü temsil eder, V gerilimidir, P0, Q0, V0 referans durumdaki değerlerdir ve n ve m yük karakteristik katsayılarıdır.
Dinamik yük modeli daha karmaşıktır. Gerilim ve frekans değişikliklerine yükün dinamik tepkisini dikkate alır, yükün gerilim ve frekans değişikliklerine tepki hızını simüle etmek için birden fazla zaman sabiti içerir. Dinamik yük modeli, yük gücünün zamana göre değişim hızını açıklayan bir dizi diferansiyel denklemlerle ifade edilebilir.
Yazılım yapı tasarımında, bu modeller, alt istasyonun gerçek zamanlı işlem durumunu izleme ve analiz etmek için röle koruma hatası bilgi tespit sistemine entegre edilir. Sistem, akım, gerilim, güç vb. gerçek zamanlı verileri toplar ve bu modelleri kullanarak potansiyel hata koşullarını bilimsel olarak belirler.
(2) Hata Bilgisi Toplama
Röle koruma ekipmanlarının güvenilirliğini sağlamak için, hata bilgisi tespit sisteminin tasarımı çok önemlidir, özellikle hata bilgisi toplama bölümüdür. Bu bölüm genellikle üç modüle ayrılmıştır: durağan durum bilgisi toplama, geçici durum bilgisi toplama ve durum dosyası yönetimi.
Durağan durum bilgisi toplama modülü, alt istasyonun normal işletim sırasında elektrik parametrelerini toplamakla sorumludur, örneğin gerilim, akım, güç vb. Bu veriler, güç şebekesinin işlem durumunu değerlendirmek için temeldir ve aynı zamanda hata analizi ve tahmini için de önemlidir. Bu modül genellikle üç alt modülden oluşur: veri toplama, veri işleme ve veri saklama. Veri toplama alt modülü, alt istasyon izleme sistemiyle arayüz üzerinden gerçek zamanlı olarak elektrik parametrelerini elde eder; veri işleme alt modülü, toplanan veriler üzerinde ön analiz yapar, anormal değerleri kaldırır ve verileri formatlandırır; veri saklama alt modülü, işlenmiş verileri veritabanında saklar, böylece daha sonraki analiz için kullanılabilir.
Geçici durum bilgisi toplama modülü, güç şebekesinde kısa devre, açık devre ve diğer hatalar gibi geçici olayları yakalamaya odaklanır. Bu geçici olaylar genellikle elektrik parametrelerinde keskin değişimlere eşlik ettiği için, yüksek hız ve hassasiyetli veri toplama ekipmanları gereklidir. Bu modül genellikle üç alt modülden oluşur: yüksek hızlı veri toplama, geçici olay tanıma ve olay veri saklama. Yüksek hızlı veri toplama alt modülü, mikrosaniye düzeyinde elektrik parametrelerinin değişimlerini kaydedebilir; geçici olay tanıma alt modülü, önceden belirlenmiş algoritmalar aracılığıyla hata oluşup oluşmadığını ve hata tipini doğru bir şekilde belirler; olay veri saklama alt modülü, belirlenen hata bilgilerini belirli bir veritabanında saklar, böylece personel tarafından derinlemesine analiz edilebilir.
Durum dosyası yönetim modülü, alt istasyon röle koruma ekipmanlarının durum dosyalarının yönetimi ve bakımından sorumludur ve koruma ekipmanının yapılandırma detayları, işlem durumu ve geçmiş hata kayıtları gibi önemli bilgileri detaylı olarak kaydeder. Bu modül genellikle dört alt modülden oluşur: durum dosyası oluşturma, güncelleme, sorgulama ve yedekleme. Oluşturma alt modülü, koruma ekipmanının gerçek yapılandırmasına dayanarak başlangıç durum dosyası oluşturur; güncelleme alt modülü, ekipman parametreleri veya yapılandırma değiştiğinde durum dosyasını günceller; sorgulama alt modülü, kullanıcıların durum dosyasındaki bilgilere erişmesine olanak tanır; yedekleme alt modülü, durum dosyasını düzenli olarak yedekler, böylece veri kaybını etkili bir şekilde önler.
(3) Hata Bilgisi Tespiti
İstasyon kontrol katmanı, röle korumasından "A-hattı birleştirilmiş ağ bağlantı hatası" uyarısı aldığı anda, sistem hemen hata bilgisi tespit sürecini başlatmalıdır, bu uyarının tek kaynağı olup olmadığına, yani diğer cihazların da benzer uyarılar verip vermediğine emin olmak için. Bu örnekte, diğer cihazlar uyarı vermezse, sistem "A-hattı birleştirilmiş ağ bağlantı hatası" bilgisine odaklanacaktır.
Hata bilgilerini daha etkili bir şekilde işlemek ve analiz etmek için, sistem beş sanal uç nokta ve hata düğümü kombinasyonu tasarlamıştır, Şekil 1'de gösterildiği gibi.
Her bir sanal uç nokta, ağ bağlantı durumunu izlemekten çözümler sunmaya kadar farklı görevleri üstlenir, böylece tam bir hata işleme süreci oluşturur. Yukarıdaki yazılım yapı tasarımıyla, alt istasyon röle koruma hatası bilgi tespit sistemi, hata bilgilerini etkili bir şekilde tespit edebilir ve alt istasyonun güvenli işlemesini sağlayabilir. Özellikle "A-hattı birleştirilmiş ağ bağlantı hatası" uyarısı alındığında, sistem hızlı bir şekilde tepki verebilir ve buna bağlı olarak gerekli önlemleri alarak, hatanın güç sistemine olan etkisini en aza indirebilir.
IV. Deneysel Doğrulama
(1) Ağ Topolojisi Yapısı
2023 yılında faaliyete geçen 500 kV alt istasyonu için tasarlanan röle koruma hatası bilgi tespit sisteminin ağ topolojisi yapısı, yüksek güvencilik, yüksek kullanılabilirlik ve kolay bakım gibi temel prensiplere sıkı sıkıya uygundur. Bu sistem, hiyerarşik ve dağıtık ağ mimarisini benimser ve uygulama adımları iyi organize edilmiştir, aşağıdaki ana bağlantıları içerir.
Veri toplama: Alt istasyonun çeşitli kritik noktalarına monte edilen sensörler ve veri toplama cihazları aracılığıyla röle koruma cihazlarının işlem verileri gerçek zamanlı olarak toplanır.
Veri iletimi: Ağ iletişim teknolojisi kullanılarak, toplanan veriler zamanında ve doğru bir şekilde veri işleme merkezine iletilir.
Veri analizi: Veri işleme merkezinde, yüksek performanslı bilgisayarlar ve profesyonel analiz yazılımları kullanılarak veriler analiz edilir, anormal kalıplar ve potansiyel hatalar belirlenir.
Hata tanı: Anormal bir durum tespit edildiğinde, sistem otomatik olarak hata tanı yaparak hatanın tipini ve yerini belirler.
Uyarı ve yanıt: Sistem, alarm sistemi aracılığıyla operasyon ve bakım personeline hata bilgisi bildirir ve ön hazırlık hata çözüm önerileri sunar.
Hata çözümü: Operasyon ve bakım personeli, sistemin sunduğu hata bilgisi ve öneriler doğrultusunda hata çözümü için hızlıca önlemler alabilir, böylece güç şebekesinin istikrarlı çalışmasını sağlar.
(2) Deneysel Sonuçlar ve Analiz
Deneyde, iki tane tespit sistemi kullanılmıştır: biri SCD dosyasına dayanan geleneksel alt istasyon röle koruma ikincil devre çevrimi çevrimiçi tespit sistemi, diğeri ise uzay-zaman analizine dayanan alt istasyon röle koruma hatası bilgi tespit sistemi. Her iki sistem de aynı alt istasyon ortamında test edilmiştir, böylece sonuçların karşılaştırılabilirliği sağlanmıştır [8].
Deneysel veriler, SCD dosyasına dayanan tespit sistemi tarafından ölçüm yapılan pozitif ve negatif ana hatların maksimum yalıtım gerilimlerinin sırasıyla 192.1 V ve 191.4 V olduğunu, uzay-zaman analizine dayanan tespit sistemi tarafından ölçüm yapılan karşılık gelen değerlerin ise sırasıyla 190.3 V ve 210.23 V olduğunu göstermiştir. Spesifik veriler Tablo 2'de gösterilmiştir.
Deneysel sonuçlardan, uzay-zaman analizine dayanan tespit sisteminin pozitif ana hat için maksimum yalıtım gerilim değeri, SCD dosyasına dayanan tespit sisteminin kıyasında biraz düşük olduğu ancak negatif ana hat için biraz yüksek olduğu görülmektedir. Bu, uzay-zaman analizine dayanan tespit sisteminin bazı durumlarda daha doğru ölçüm sonuçları sağlayabileceğini gösterir. Ancak bu fark anlamlı değildir. Bu nedenle, bu iki sistemin performans farklarını daha derinlemesine anlamak için, daha fazla deneysel veri toplamak ve analiz etmek gerekebilir.
V. Sonuç
Bu makalede tasarımda ve çalışmalarda bulunan yeni alt istasyon röle koruma hatası bilgi tespit sistemi, röle koruma cihazlarının çalışma durumunu gerçek zamanlı olarak izleyebilir, hata bilgilerini otomatik olarak analiz ve tanıya tabi tutabilir ve ağ iletişim teknolojisi aracılığıyla hata bilgilerini operasyon ve bakım personeline zamanında iletebilir. Bu, onların hataların yayılmasını önlemek ve güç sisteminin güvenli ve istikrarlı çalışmasını sağlamak için hızlı önlemler almasını sağlar.
