Thiết kế Hệ thống Phát hiện Thông tin Sự cố Bảo vệ Rơle Trạm biến áp

I. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, với sự mở rộng liên tục của quy mô lưới điện, các trạm biến áp, như các nút quan trọng trong hệ thống điện, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy của toàn bộ lưới điện thông qua hoạt động an toàn và ổn định. Bảo vệ rơle đóng vai trò là hàng rào phòng thủ đầu tiên cho hoạt động an toàn của trạm biến áp. Độ chính xác và nhanh chóng của bảo vệ rơle có liên quan trực tiếp đến sự ổn định của hệ thống điện. Do đó, việc phát hiện hiệu quả thông tin lỗi của hệ thống bảo vệ rơle trạm biến áp, nhận biết và xử lý kịp thời các lỗi tiềm ẩn, có ý nghĩa rất lớn đối với việc bảo vệ an toàn hoạt động của hệ thống điện.

Các phương pháp truyền thống để phát hiện lỗi bảo vệ rơle chủ yếu dựa vào kiểm tra thủ công và bảo trì định kỳ. Các phương pháp này không chỉ tốn thời gian và nhân lực mà còn không thể đạt được giám sát theo thời gian thực. Do đó, chúng dễ bỏ sót các tín hiệu sớm của lỗi. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin, đặc biệt là sự tiến bộ của công nghệ máy tính và công nghệ truyền thông, các hệ thống phát hiện thông tin lỗi bảo vệ rơle trạm biến áp hiện đại đã bắt đầu áp dụng các phương pháp tự động. Thông qua việc thu thập dữ liệu theo thời gian thực, các hệ thống này có thể giám sát trạng thái bảo vệ rơle theo thời gian thực và nhanh chóng xác định vị trí lỗi.

Do đó, bài viết này đề xuất một hệ thống phát hiện thông tin lỗi bảo vệ rơle trạm biến áp dựa trên công nghệ thông tin hiện đại và trình bày chi tiết về cấu trúc phần cứng, thiết kế phần mềm và kết quả thí nghiệm.

II. Thiết kế Cấu trúc Phần Cứng Hệ Thống
(1) Máy Chủ

Thiết kế máy chủ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Cấu trúc phần cứng của nó sử dụng vi điều khiển C8051F040 làm bộ xử lý lõi. Vi điều khiển C8051F040 là một vi điều khiển hỗn hợp tín hiệu kỹ thuật số và tương tự có hiệu năng cao và tiêu thụ điện năng thấp, tích hợp nhiều tài nguyên ngoại vi, bao gồm các cổng I/O tương tự và kỹ thuật số, bộ đếm/timer, UART, SPI, và giao diện truyền thông I2C, v.v. Những đặc điểm này khiến C8051F040 rất phù hợp làm bộ xử lý lõi của máy chủ, có khả năng đáp ứng yêu cầu xử lý dữ liệu tốc độ cao và logic điều khiển phức tạp.

Để đảm bảo khả năng giám sát theo thời gian thực của hệ thống, một đơn vị giám sát hiệu năng cao được sử dụng trong thiết kế máy chủ. Đơn vị này thường bao gồm ADC (Chuyển đổi Analog sang Digital) tốc độ cao, DAC (Chuyển đổi Digital sang Analog), cũng như các mạch giám sát điện áp/dòng điện. Nó có thể thu thập và chuyển đổi các tham số điện theo thời gian thực, cung cấp dữ liệu chính xác để chẩn đoán lỗi.

Trong khi đó, máy chủ cần giao tiếp với máy dưới và trung tâm giám sát từ xa. Thiết kế bao gồm các giao diện truyền thông khác nhau, như RS-232, RS-485 và Ethernet. Các giao diện này đảm bảo truyền dữ liệu nhanh chóng và khả năng điều khiển từ xa.

Để thuận tiện cho người vận hành trong việc giám sát và điều khiển hệ thống, máy chủ cũng được trang bị giao diện tương tác người-máy, thường bao gồm màn hình LCD và bàn phím. Người vận hành có thể sử dụng các giao diện này để xem trạng thái hệ thống theo thời gian thực.

(2) Cảm biến Phát Hiện Cách Điện

Để đáp ứng yêu cầu cải tạo hệ thống DC trong các nhà máy điện cũ và trạm biến áp, nhân viên đã thiết kế một cảm biến phát hiện cách điện độ chính xác cao có thể tháo rời. Sử dụng các công nghệ điện tử và vật liệu tiên tiến, cảm biến này có độ nhạy cao, độ ổn định cao và tuổi thọ dài, và có thể hoạt động ổn định ngay cả trong môi trường khắc nghiệt.

Độ chính xác cao là một chỉ số hiệu suất quan trọng của cảm biến phát hiện cách điện. Bằng cách sử dụng các thuật toán phát hiện tiên tiến và linh kiện điện tử, nó có thể phát hiện chính xác các thay đổi nhỏ trong cách điện, đảm bảo độ chính xác và kịp thời của thông tin lỗi.

Bằng cách nâng cấp và cải tạo các thiết bị cách nhiệt của hệ thống DC trong các nhà máy điện cũ và trạm biến áp và sử dụng cảm biến phát hiện cách điện độ chính xác cao có thể tháo rời, độ an toàn của hệ thống có thể được tăng cường đáng kể. Các cảm biến này có khả năng phát hiện độ chính xác cao và có thể phát hiện kịp thời các lỗi cách điện, do đó ngăn chặn hiệu quả sự xảy ra của tai nạn.

(3) Mô-đun Phát Hiện Cảnh Báo Sớm

Để cải thiện độ chính xác và tốc độ phản hồi của cảnh báo sớm, mô-đun này thường tích hợp cơ chế cảnh báo sớm chủ động và thụ động.

Cảnh báo sớm chủ động đề cập đến việc hệ thống chủ động phát hiện các tham số điện. Ngay khi các tham số này vượt khỏi phạm vi bình thường, tín hiệu cảnh báo sớm sẽ được kích hoạt ngay lập tức. Cảnh báo sớm chủ động thường dựa trên các cảm biến và thiết bị thu thập dữ liệu hiệu năng cao. Các thiết bị này có thể giám sát các tham số quan trọng như dòng điện, điện áp và tần số theo thời gian thực và phân tích dữ liệu liên quan thông qua các thuật toán tích hợp để xác định có tồn tại rủi ro lỗi tiềm ẩn hay không. Trong khi đó, cảnh báo sớm thụ động liên quan đến việc phân tích các tham số điện và phát tín hiệu cảnh báo sau khi hệ thống nhận được các tín hiệu từ bên ngoài. Ví dụ, khi thiết bị bảo vệ rơle trong trạm biến áp hoạt động, mô-đun cảnh báo sớm thụ động sẽ được kích hoạt ngay lập tức để phân tích nguyên nhân của hoạt động và xác định liệu có cần thêm các biện pháp xử lý hay không, như được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1 Thiết kế Cấu trúc Phần Cứng

Trong thiết kế cấu trúc phần cứng của mô-đun phát hiện cảnh báo sớm, việc kết hợp cảnh báo sớm chủ động và thụ động có thể tăng cường đáng kể khả năng cảnh báo sớm và tốc độ phản hồi của hệ thống. Cảnh báo sớm chủ động có thể giám sát các tham số điện theo thời gian thực và nhanh chóng xác định các rủi ro lỗi tiềm ẩn; trong khi cảnh báo sớm thụ động có thể phản ứng nhanh chóng khi các sự kiện cụ thể xảy ra và phân tích sâu nguyên nhân của lỗi.

Để kết hợp hiệu quả hai phương pháp cảnh báo sớm này, các yếu tố chính sau đây cần được xem xét trong thiết kế phần cứng:

• Lựa chọn cảm biến và thiết bị thu thập dữ liệu: Cần chọn các cảm biến và thiết bị thu thập dữ liệu độ chính xác cao để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu.

• Khả năng xử lý và phân tích dữ liệu: Mô-đun giám sát cảnh báo sớm nên có khả năng xử lý và phân tích dữ liệu mạnh mẽ để nhanh chóng xác định dữ liệu bất thường và đưa ra quyết định cảnh báo sớm.

• Giao diện và giao thức truyền thông: Mô-đun nên hỗ trợ nhiều giao diện và giao thức truyền thông để thuận tiện cho việc trao đổi dữ liệu với các hệ thống hoặc thiết bị khác.

• Độ tin cậy: Thiết kế phần cứng phải đảm bảo rằng mô-đun có thể hoạt động ổn định trong các môi trường cực đoan và áp dụng các biện pháp an toàn cần thiết để ngăn ngừa sự cố và truy cập trái phép.

III. Thiết kế Phần Mềm Hệ Thống
(1) Mô Phỏng Đặc Tính Tải Lỗi

Tâm điểm của hệ thống phát hiện thông tin lỗi bảo vệ rơle trạm biến áp nằm ở thiết kế cấu trúc phần mềm, đặc biệt là xây dựng các mô hình tải tĩnh và động. Các mô hình này nhằm mô tả công suất hữu ích và vô công của tải trong quá trình vận hành hệ thống, cũng như các thay đổi chậm về điện áp và tần số, và thường được biểu diễn bằng các mô hình đa thức. Mô hình tải tĩnh thường được biểu diễn như sau:

trong đó P và Q lần lượt đại diện cho công suất hữu ích và vô công, V là điện áp, P0, Q0, V0 là các giá trị trong trạng thái tham chiếu, và n, m là các hệ số đặc tính tải.

Mô hình tải động phức tạp hơn. Nó xem xét phản ứng động của tải đối với các thay đổi về điện áp và tần số, bao gồm nhiều hằng số thời gian để mô phỏng tốc độ phản ứng của tải đối với các thay đổi về điện áp và tần số. Mô hình tải động có thể được biểu diễn bằng một loạt các phương trình vi phân mô tả tốc độ thay đổi công suất tải theo thời gian.

Trong thiết kế cấu trúc phần mềm, các mô hình này được tích hợp vào hệ thống phát hiện thông tin lỗi bảo vệ rơle để giám sát và phân tích trạng thái hoạt động của trạm biến áp theo thời gian thực. Hệ thống thu thập dữ liệu theo thời gian thực, bao gồm dòng điện, điện áp, công suất, v.v., và sử dụng các mô hình này để tính toán và khoa học xác định các tình huống lỗi tiềm ẩn.

(2) Thu Thập Thông Tin Lỗi

Để đảm bảo độ tin cậy của thiết bị bảo vệ rơle, thiết kế hệ thống phát hiện thông tin lỗi đặc biệt quan trọng, đặc biệt là phần thu thập thông tin lỗi. Phần này thường được chia thành ba mô-đun: thu thập thông tin trạng thái ổn định, thu thập thông tin tạm thời và quản lý tệp trạng thái.

Mô-đun thu thập thông tin trạng thái ổn định chủ yếu chịu trách nhiệm thu thập các tham số điện của trạm biến áp trong quá trình hoạt động bình thường, như điện áp, dòng điện, công suất, v.v. Các dữ liệu này là cơ sở để đánh giá trạng thái hoạt động của lưới điện và cũng rất quan trọng cho việc phân tích và dự đoán lỗi. Mô-đun này thường bao gồm ba mô-đun con: thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu và lưu trữ dữ liệu. Mô-đun con thu thập dữ liệu lấy các tham số điện theo thời gian thực thông qua giao diện với hệ thống giám sát trạm biến áp; mô-đun con xử lý dữ liệu tiến hành phân tích sơ bộ các dữ liệu đã thu thập, loại bỏ các giá trị bất thường và định dạng dữ liệu; mô-đun con lưu trữ dữ liệu lưu trữ các dữ liệu đã xử lý vào cơ sở dữ liệu để phân tích sau này.

Mô-đun thu thập thông tin tạm thời tập trung vào việc nắm bắt các sự kiện tạm thời trong lưới điện, chẳng hạn như ngắn mạch, mất mạch và các lỗi khác. Các sự kiện tạm thời này thường đi kèm với các thay đổi đột ngột về các tham số điện, vì vậy cần thiết bị thu thập dữ liệu tốc độ cao và độ chính xác cao. Mô-đun này thường bao gồm ba mô-đun con: thu thập dữ liệu tốc độ cao, nhận dạng sự kiện tạm thời và lưu trữ dữ liệu sự kiện. Mô-đun con thu thập dữ liệu tốc độ cao có thể ghi lại các thay đổi của các tham số điện với độ phân giải microsecond; mô-đun con nhận dạng sự kiện tạm thời xác định xem có xảy ra lỗi hay không và xác định chính xác loại lỗi theo các thuật toán đã đặt trước; mô-đun con lưu trữ dữ liệu sự kiện lưu trữ thông tin lỗi đã xác định vào cơ sở dữ liệu cụ thể, giúp nhân viên phân tích sâu hơn.

Mô-đun quản lý tệp trạng thái chịu trách nhiệm quản lý và bảo trì tệp trạng thái của thiết bị bảo vệ rơle trạm biến áp, và ghi chi tiết các thông tin quan trọng như chi tiết cấu hình, trạng thái hoạt động và lịch sử lỗi của thiết bị bảo vệ. Nó主要包括以下几个子模块：状态文件生成、更新、查询和备份。生成子模块根据保护设备的实际配置生成初始状态文件；更新子模块在设备参数或配置发生变化时更新状态文件；查询子模块允许用户查询状态文件中的信息；备份子模块定期备份状态文件，以有效避免数据丢失。 (3) 故障信息检测 当站控层收到继电保护发出的“A线合并网络连接错误”报警信息时，系统应立即启动故障信息检测过程，确认该报警是否为唯一来源，即其他设备是否也发出了类似的报警。在这个例子中，如果其他设备没有发出报警，系统将重点关注“A线合并网络连接错误”的信息。 为了更有效地处理和分析故障信息，系统设计了五个虚拟端子与故障节点的组合，如表1所示。 每个虚拟端子负责不同的任务，从监控网络连接状态到提供解决方案，形成一个完整的故障处理流程。通过上述软件结构设计，变电站继电保护故障信息系统能够有效检测故障信息，确保变电站的安全运行。特别是在接收到“A线合并网络连接错误”报警时，系统可以快速响应并采取相应措施，将故障对电力系统的影响降到最低。 IV. 实验验证 (1) 网络拓扑结构 2023年投入运行的500kV变电站继电保护故障信息检测系统的网络拓扑结构设计严格遵循高可靠性、高可用性和易于维护的核心原则。该系统采用分层分布式网络架构，其实现步骤井然有序，主要包括以下环节。 - 数据采集：通过安装在变电站各关键节点的传感器和数据采集装置实时收集继电保护装置的运行数据。 - 数据传输：利用网络通信技术，及时准确地将采集的数据传输到数据处理中心。 - 数据分析：在数据处理中心，使用高性能计算机和专业分析软件对数据进行分析，识别异常模式和潜在故障。 - 故障诊断：一旦检测到异常，系统自动进行故障诊断，确定故障类型和位置。 - 报警与响应：系统通过报警系统通知运维人员故障信息，并提供初步故障处理建议。 - 故障处理：运维人员可以根据系统提供的故障信息和建议，迅速采取措施处理故障，从而确保电网的稳定运行。 (2) 实验结果与分析 实验中使用了两个检测系统：一个是基于SCD文件的传统变电站继电保护二次回路在线检测系统，另一个是基于时空分析的变电站继电保护故障信息系统。两个系统在同一变电站环境中进行了测试，以确保结果的可比性[8]。 实验数据显示，基于SCD文件的检测系统测得的正负母线最大绝缘电压分别为192.1V和191.4V，而基于时空分析的检测系统测得的相应值分别为190.3V和210.23V。具体数据见表2。 从实验结果可以看出，基于时空分析的检测系统测得的正母线最大绝缘电压略低于基于SCD文件的检测系统，但负母线的最大绝缘电压略高。这表明在某些情况下，基于时空分析的检测系统可以提供更准确的测量结果。然而，这种差异并不显著。因此，为了更深入地了解这两种系统之间的性能差异，可能需要进一步收集和分析大量实验数据。 V. 结论 本文设计和研究的新变电站继电保护故障信息系统能够实时监测继电保护装置的工作状态，自动分析和诊断故障信息，并通过网络通信技术及时将故障信息传递给运维人员，使他们能够迅速采取措施防止故障扩大，确保电力系统的安全稳定运行。