Проектування системи виявлення інформації про аварії в релейній захисті підстанції

I. Вступ

У останні роки, з постійним розширенням масштабів електромережі, підстанції, як ключові вузли енергосистеми, грають важливу роль у забезпеченні надійності всієї електромережі завдяки своїй безпеці та стабільній роботі. Реле-захист є першим рубежом захисту для безпечного функціонування підстанцій. Точність та швидкодія реле-захисту прямо пов'язані зі стабільністю енергосистеми. Тому ефективне виявлення інформації про вади системи реле-захисту підстанції, швидке виявлення та усунення потенційних вад мають велике значення для забезпечення безпечного функціонування енергосистеми.

Традиційні методи виявлення вад реле-захисту переважно спираються на ручний огляд та регулярне обслуговування. Ці методи не лише займають багато часу та праці, але й не можуть забезпечити реального часу моніторингу. В результаті вони часто пропускають ранні сигнали вад. З постійним розвитком інформаційних технологій, особливо комп'ютерних та комунікаційних технологій, сучасні системи виявлення інформації про вади реле-захисту підстанцій почали використовувати автоматизовані методи. Через збирання даних в реальному часі ці системи можуть забезпечити реальний час моніторингу стану реле-захисту та швидко локалізувати вади.

Тому ця робота запропоновує систему виявлення інформації про вади реле-захисту підстанції на основі сучасних інформаційних технологій та детально розглядає її апаратну структуру, програмне забезпечення та експериментальні результати.

II. Проектування апаратної структури системи
(1) Головний комп'ютер

Проектування головного комп'ютера безпосередньо впливає на продуктивність всієї системи. Його апаратна структура використовує одночиповий мікроконтролер C8051F040 як центральний процесор. Одночиповий мікроконтролер C8051F040 - це високопродуктивний та низьковаттажний мікс-сигнал мікроконтролер, який інтегрує багато периферійних ресурсів, включаючи аналогові та цифрові порти вводу-виводу, таймери/лічильники, UART, SPI та I2C комунікаційні інтерфейси, серед інших. Ці характеристики роблять C8051F040 відмінно підходящим для центрального процесора головного комп'ютера, здатного задовольняти вимоги до високошвидкісної обробки даних та складної логіки керування.

Для забезпечення здатності реального часу моніторингу системи, у проектуванні головного комп'ютера використовується високопродуктивна одиниця моніторингу. Ця одиниця зазвичай включає високоскоростний ADC (Аналогово-цифровий перетворювач), DAC (Цифро-аналоговий перетворювач), а також схеми моніторингу напруги/струму. Вона може збирати та перетворювати електричні параметри в реальному часі, надаючи точні дані для діагностики вад.

Окрім того, головному комп'ютеру потрібно спілкуватися з нижчим комп'ютером та віддаленим центром моніторингу. У проектуванні враховано різні комунікаційні інтерфейси, такі як RS-232, RS-485 та Ethernet. Ці інтерфейси забезпечують швидку передачу даних та можливість віддаленого керування.

Для полегшення операторам моніторингу та керування системою, головний комп'ютер оснащений інтерфейсом людина-машина, який зазвичай складається з LCD-дисплею та клавіатури. Оператори можуть використовувати ці інтерфейси для перегляду стану системи в реальному часі.

(2) Датчик виявлення ізоляції

Для задоволення потреб модернізації DC-систем старих електростанцій та підстанцій, персонал розробив високоточний з'єднюваний датчик виявлення ізоляції. Використовуючи передові електронні технології та матеріали, цей датчик має високу чутливість, високу стабільність та довгий термін служби, і може стабільно працювати навіть в сурових умовах.

Висока точність - це ключовий показник продуктивності датчика виявлення ізоляції. Використовуючи передові алгоритми виявлення та електронні компоненти, він може точно виявити незначні зміни ізоляції, забезпечуючи точність та актуальність інформації про вади.

Модернізація та реконструкція теплоізоляційних пристроїв DC-систем старих електростанцій та підстанцій, а також використання високоточних з'єднюваних датчиків виявлення ізоляції, значно підвищують безпеку системи. Ці датчики мають здатність високоточного виявлення та можуть швидко виявити вади ізоляції, що ефективно запобігає виникненню аварій.

(3) Модуль раннього виявлення

Для покращення точності та швидкодії ранніх попереджень, цей модуль зазвичай інтегрує подвійний механізм активного та пасивного раннього виявлення.

Активне раннє виявлення означає, що система самостійно виявляє електричні параметри. Якщо параметри відхиляються від нормального діапазону, сигнал раннього попередження буде негайно запущений. Активне раннє виявлення зазвичай спирається на високопродуктивні датчики та пристрої збору даних. Ці пристрої можуть в реальному часі моніторити ключові параметри, такі як струм, напруга та частота, та аналізувати відповідні дані за допомогою вбудованих алгоритмів, щоб визначити, чи є потенційні ризики вад. Пасивне раннє виявлення, натомість, включає аналіз відповідних електричних параметрів та випуск сигналу раннього попередження після отримання системою зовнішніх сигналів. Наприклад, коли пристрій реле-захисту на підстанції працює, модуль пасивного раннього виявлення буде негайно активований, щоб проаналізувати причину роботи та визначити, чи потрібні подальші заходи, як показано на рисунку 1.

Рисунок 1 Проектування апаратної структури

У проектуванні апаратної структури модуля раннього виявлення, поєднання активного та пасивного раннього виявлення може значно підвищити здатність системи до раннього виявлення та швидкодію реакції. Активне раннє виявлення може в реальному часі моніторити електричні параметри та швидко виявляти потенційні ризики вад; пасивне раннє виявлення може негайно реагувати на виникнення конкретних подій та проводити глибокий аналіз причин вад.

Для ефективного поєднання цих двох методів раннього виявлення, у проектуванні апаратури слід врахувати наступні ключові елементи:

• Вибір датчиків та пристроїв збору даних: Потрібно вибирати високоточні датчики та пристрої збору даних, щоб забезпечити точність даних.

• Здатності обробки та аналізу даних: Модуль раннього виявлення повинен мати потужні здатності обробки та аналізу даних, щоб швидко виявляти аномальні дані та робити висновки про раннє попередження.

• Комунікаційні інтерфейси та протоколи: Модуль повинен підтримувати різні комунікаційні інтерфейси та протоколи для спрощення обміну даними з іншими системами або пристроями.

• Надійність: Проектування апаратури повинно забезпечити, щоб модуль могла стабільно працювати в крайніх умовах, та приймати необхідні заходи безпеки, щоб запобігти невірному операціонуванню та несанкціонованому доступу.

III. Проектування програмного забезпечення системи
(1) Моделювання характеристик навантаження при вадах

Основа системи виявлення інформації про вади реле-захисту підстанції полягає в проектуванні її програмної структури, особливо в побудові статичних та динамічних моделей навантаження. Ці моделі мають на меті описати активну та реактивну потужність навантаження під час роботи системи, а також повільні зміни напруги та частоти, та зазвичай виражаються за допомогою поліноміальних моделей. Статична модель навантаження зазвичай виражається як:

де P та Q представляють активну та реактивну потужність відповідно, V - напруга, P0, Q0, V0 - значення в початковому стані, а n та m - коефіцієнти характеристик навантаження.

Динамічна модель навантаження є більш складною. Вона враховує динамічну відповідь навантаження на зміни напруги та частоти, включаючи кілька часових констант для моделювання швидкості відповіді навантаження на зміни напруги та частоти. Динамічна модель навантаження може бути виражена як ряд диференціальних рівнянь, що описують швидкість зміни потужності навантаження з часом.

У проектуванні програмної структури, ці моделі інтегруються в систему виявлення інформації про вади реле-захисту для моніторингу та аналізу роботи підстанції в реальному часі. Система збирає дані в реальному часі, включаючи струм, напругу, потужність тощо, та використовує ці моделі для розрахунків, щоб науково виявити потенційні вади.

(2) Збір інформації про вади

Для забезпечення надійності обладнання реле-захисту, проектування системи виявлення інформації про вади є особливо важливим, особливо частина збору інформації про вади. Ця частина зазвичай розділяється на три модулі: збір стаціонарної інформації, збір транзитної інформації та управління файлами стану.

Модуль збору стаціонарної інформації головним чином відповідає за збір електричних параметрів підстанції під час нормальної роботи, таких як напруга, струм, потужність тощо. Ці дані є основою для оцінки роботи електромережі та також важливими для аналізу та прогнозування вад. Цей модуль зазвичай включає три підмодулі: збір даних, обробка даних та зберігання даних. Підмодуль збору даних отримує електричні параметри в реальному часі через інтерфейс з системою моніторингу підстанції; підмодуль обробки даних проводить початковий аналіз зібраних даних, видаляє аномальні значення та форматує дані; підмодуль зберігання даних зберігає оброблені дані в базі даних для подальшого аналізу.

Модуль збору транзитної інформації зосереджується на виявленні транзитних подій в електромережі, таких як короткі замикання, відключення та інші вади. Ці транзитні події часто супроводжуються гострими змінами електричних параметрів, тому потрібні пристрої збору даних з високою швидкістю та високою точністю. Цей модуль зазвичай включає три підмодулі: високоскоростний збір даних, ідентифікація транзитних подій та зберігання даних подій. Підмодуль високоскоростного збору даних може записувати зміни електричних параметрів з роздільною здатністю на рівні мікросекунд; підмодуль ідентифікації транзитних подій визначає, чи відбулася вада, та точно ідентифікує тип вади згідно з попередньо встановленими алгоритмами; підмодуль зберігання даних подій зберігає ідентифіковану інформацію про вади в специфічній базі даних, що сприяє глибокому аналізу персоналу.

Модуль управління файлами стану відповідає за управління та підтримку файлів стану обладнання реле-захисту підстанції, та детально записує ключову інформацію, таку як деталі конфігурації, робочий стан та історичні записи вад обладнання захисту. Він зазвичай включає чотири підмодулі: генерація файлу стану, оновлення, запит та резервне копіювання. Підмодуль генерації створює початковий файл стану відповідно до фактичної конфігурації обладнання захисту; підмодуль оновлення оновлює файл стану, коли змінюються параметри або конфігурація обладнання; підмодуль запиту дозволяє користувачам запитувати інформацію в файлі стану; підмодуль резервного копіювання регулярно робить резервні копії файлу стану, щоб ефективно уникнути втрати даних.

(3) Виявлення інформації про вади

При отриманні контролером рівня підстанції сигналу тривоги "Помилка з'єднання злитої мережі лінії A" від реле-захисту, система повинна негайно запустити процес виявлення інформації про вади, щоб підтвердити, чи цей сигнал тривоги є єдиним джерелом, тобто чи інші пристрої також випустили подібні сигнали. У цьому прикладі, якщо інші пристрої не випустили сигнали, система буде зосереджуватися на інформації про "Помилку з'єднання злитої мережі лінії A".

Для більш ефективної обробки та аналізу інформації про вади, система розробила п'ять комбінацій віртуальних терміналів та вузлів вад, як показано в таблиці 1.

Кожен віртуальний термінал відповідає за різні завдання, від моніторингу статусу з'єднання мережі до надання рішень, формуючи повний процес обробки вад. Благодіяючи вищезгаданому проектуванню програмної структури, система виявлення інформації про вади реле-захисту підстанції може ефективно виявляти інформацію про вади та забезпечувати безпечну роботу підстанції. Особливо при отриманні сигналу тривоги "Помилка з'єднання злитої мережі лінії A", система може швидко реагувати та приймати відповідні заходи, щоб мінімізувати вплив вади на енергосистему.

IV. Експериментальне підтвердженння
(1) Структура топології мережі

Проектування структури топології мережі системи виявлення інформації про вади реле-захисту для підстанції 500 кВ, запущеної в експлуатацію в 2023 році, строго дотримується ключових принципів високої надійності, високої доступності та легкості обслуговування. Ця система використовує ієрархічну та розподілену архітектуру мережі, а її реалізація добре організована, включаючи наступні етапи.

• Збір даних: Шляхом встановлення датчиків та пристроїв збору даних на різних ключових вузлах підстанції, в реальному часі збираються дані про роботу пристроїв реле-захисту.

• Передача даних: За допомогою технологій мережевої комунікації, зібрані дані швидко та точно передаються в центр обробки даних.

• Аналіз даних: У центрі обробки даних використовуються високопродуктивні комп'ютери та спеціальне програмне забезпечення для аналізу даних, виявлення аномальних шаблонів та потенційних вад.

• Діагностика вад: Як тільки виявлена аномалія, система автоматично проводить діагностику вад, щоб визначити тип та місце вади.

• Сигнал тривоги та реакція: Система повідомляє персонал з експлуатації та обслуговування про інформацію про вади за допомогою системи сигналізації та надає початкові рекомендації щодо виправлення вад.

• Виправлення вад: Персонал з експлуатації та обслуговування може швидко приймати заходи для виправлення вади згідно з інформацією