Каква роля играе микропроцесорен интегриран защитен апарат във високонапрегнатото комутационно оборудване и как да се избере?
Роля и избор на микропроцесорни интегрирани защитни устройства в високонапрегнатите комутационни апарати
През последните години приложението на микропроцесорни интегрирани защитни устройства в проекти за средно- и високонапрегнати електрически разпределителни системи е значително нараснало. Тези устройства са удобни за потребителите и преодоляват недостатъците на традиционната релейна защита, като сложната монтажна схема, ниската надеждност и трудните процедури за настройка и отстраняване на грешки. Микропроцесорните интегрирани защитни устройства разполагат с пълни функции за само-диагностика, което прави обнаружаването и пускането в експлоатация много удобно.
При обнаружаване на аномалия централният процесор (CPU) командира генератора на сигнали да издава съответстващи звукови и визуални сигнални предупреждения. Освен това лесно могат да бъдат реализирани различни допълнителни функции, като печатане на информацията за дефекта и записване на времето на действията по защита след събитие. Много производители произвеждат тези устройства, всяко предлагайки продукти с различни функционални възможности и конфигурации на хардуера, което прави трудно избора на най-подходящото интегрирано защитно устройство.
I. Избор на микропроцесорни интегрирани защитни устройства
За да се гарантира, че микропроцесорните интегрирани защитни устройства изпълняват коректно и точно своите задачи по релейна защита, изборът по време на фазата на проектиране трябва да се основава на комплексна оценка на надеждността, реакционното време, лесното поддръжка и пускане в експлоатация, както и на допълнителните функции.
1.1 Надеждност на микропроцесорните интегрирани защитни устройства
Сигналните входове на микропроцесорните интегрирани защитни устройства са същите, както и при традиционната релейна защита: напрежението и токът се въвеждат от напрегнатостните (VT) и токоизмервателните (CT) трансформатори, преобразувани от трансдюсерите в стандартни сигнали, необходими за защитното устройство, и филтрират нестабилни и други помехи. Аналогово-цифровите (A/D) преобразуватели превръщат аналоговите сигнали в цифрови. CPU извършва изчисления върху цифровия вход, сравнява ги с предварително зададени стойности, взима решения и определя дали да активира предупреждение или изключване.
За да се удовлетворят изискванията за надеждност, измервателните и защитни входни сигнали се обработват и излизат от независими обработващи единици в устройството. Това осигурява висока точност на измерването и предоставя достатъчен запас при сериозни дефекти. Устройството не трябва да изпитва A/D преизпълнение или насищане, когато сигналът на дефектния ток достигне 20 пъти нормалната стойност, което обикновено удовлетворява изискванията за надеждност в типични инженерни приложения.
1.2 Реакционно време на микропроцесорните интегрирани защитни устройства
По време на проектиране и избор качеството на защитното устройство може да бъде оценено само на основата на три показателя: точност на изчисленията, реакционно време и изчислителна нагрузка. Тези три фактора са взаимно противоречащи: по-ниска точност на изчисленията и по-малка изчислителна нагрузка водят до по-бързо реакционно време, докато по-висока точност и по-голяма нагрузка водят до по-бавно реакционно време. Обикновено, за крайните потребители на електрическата мрежа, изчислителната нагрузка трябва да е по-голяма от 3 пъти, точността на изчисленията трябва да е по-висока от 0,2%, а максималното реакционно време трябва да е по-малко от 30 милисекунди, за да удовлетвори типичните инженерни изисквания за реакционно време.
1.3 Избор на други функции на микропроцесорните интегрирани защитни устройства
Интегрираните защитни устройства съдържат множество интегрирани чипове, които изискват висок технически ниво за поддръжка. По време на избора, трябва да се предпочитат устройства с модулна и универсална хардуерна конфигурация, позволяваща решаване на проблеми с хардуера чрез просто заменяне на модули, което подобрява ефективността на работата.
Освен това, защитното устройство трябва да разполага с вграден EPROM модул, позволяващ цифрено съхраняване на всички настройки. Полевите служители могат лесно да извикат тези настройки за налагане в експлоатация на оборудването без нужда от пренаписване на данните. За интеграция с автоматизираната система за наблюдение на проекта, защитното устройство трябва да разполага с комуникационни възможности, позволяващи лесно формиране на мрежа чрез данни шини и пренос на информацията за действията към горната автоматизирана система за наблюдение.
2. Връзка между интегрираните защитни устройства и общата система за автоматизирано управление на предприятията
На основата на конфигурацията и комуникационните изисквания на автоматизираната система за управление на предприятията, системата за микропроцесорни интегрирани защитни устройства обикновено се дели на три нива: комутационен ниво, подстанционен ниво и централна контролна зала.
2.1 Комутационен ниво
Комутационният ниво се състои от различни видове микропроцесорни интегрирани защитни устройства, които се инсталират директно на комутационните апарати. Всяко устройство директно обработва измервателни, защитни сигнали и контролни функции за своята кабина. Специфични функции са следните:
(1) Кабина за входящи линии
Функции за защита: Бързо отключване при прекомерен ток, отключване с времева задержка при прекомерен ток.
Функции за измерване: Трифазен ток, трифазно напрежение, активна и реактивна мощност, активна и реактивна енергия.
Функции за наблюдение: Положение на контактора (отворен/затворен).
Функции за контрол: Ръчно отваряне/затваряне (в кабината), дистанционно управление за отваряне/затваряне.
Функции за предупреждение: Отключване при дефект, предупредителни сигнали, отваряне/затваряне, дефект на устройството, запис на дефекта и т.н.
(2) Кабина за трансформатор
Функции за защита: Бързо отключване при прекомерен ток, отключване с времева задержка при прекомерен ток, обратно време на прекомерно зареждане, однофазен дефект на земя, отключване при тежък газ.
Функции за измерване, наблюдение и контрол: Същите, както в кабината за входящи линии.
Функции за предупреждение: Отключване при дефект, светъл газ, температурно предупреждение, предупредителни сигнали, отваряне/затваряне, дефект на устройството, запис на дефекта и т.н.
(3) Кабина за шини
Функции за защита, наблюдение и контрол: Същите, както в кабината за входящи линии.
Функции за предупреждение: Отключване при дефект, дефект на устройството, запис на дефекта и т.н.
(4) Кабина за двигатели
Функции за защита: Бързо отключване при прекомерен ток, отключване с времева задержка при прекомерен ток, прекомерно зареждане, однофазен дефект на земя, ниско напрежение, прекомерно затопляне.
Функции за измерване: Трифазен ток, трифазно напрежение, активна и реактивна мощност, активна и реактивна енергия.
Функции за наблюдение: Положение на контактора (отворен/затворен).
Функции за контрол: Ръчно отваряне/затваряне (в кабината), дистанционно управление за отваряне/затваряне.
Функции за предупреждение: Отключване при дефект, предупредителни сигнали, отваряне/затваряне, дефект на устройството, запис на дефекта и т.н.
След придобиването на данни в съответните комутационни апарати, защитните устройства предават данните чрез шина към мониторинговия компютър на подстанционния ниво. Тази система значително намалява контролните кабели, съкращава времето за налагане в експлоатация на място и подобрява ефективността на работата.
2.2 Подстанционен ниво
Много сигнали от подстанцията трябва да бъдат предавани до централната контролна зала чрез индустриална Ethernet на предприятието, а подстанцията получава сигнали от централната контролна зала, за да издава команди за управление на защитните устройства. Подстанционният ниво обикновено се състои от индустриални контролни компютри, принтери и монитори. Неговите основни функции включват конфигуриране и управление на интегрирани защитни устройства на комутационните апарати, наблюдение на операцията на системата, създаване и управление на базата данни на подстанцията, и комуникация с централната контролна зала.
В резултат на това, че производителите държат софтуера и методите за електрически изчисления на защитните устройства в тайна, подстанционният ниво трябва също да се справя с преобразуването на протоколи за комуникация, за да облекчи предаването и приемането на сигнали между централната контролна зала и защитните устройства.
2.3 Комуникационна мрежа
Комуникацията между комутационните апарати и подстанцията може да използва MODbus шинна мрежа, поддържаща до 64 подчинени станции. Между комуникационната мрежа и устройствата се използва оптична изолация, за да се предотврати външното въздействие. Комуникацията между подстанцията и централната контролна зала използва индустриална Ethernet с оптичен медиум, с комуникационна скорост по-голяма от 1 Mbps.
2.4 Софтуер
Системният софтуер може да използва основни платформи с международни стандартизираны архитектури, като Windows NT. Софтуерните модули трябва да включват: основен контролен софтуер, графически софтуер, софтуер за управление на базата данни, софтуер за генериране на доклади и софтуер за комуникация.
При избор на софтуера, основният контролен софтуер трябва да има високо ниво на модуларност. Високата модуларност позволява полевите служители лесно да извикат софтуера въз основа на местните условия, без допълнително програмиране, което значително намалява оперативната и поддръжна работа на диспечери и технически персонал, и подобрява ефективността на работата.
3. Въпроси, които трябва да се отбележат при избор на хардуер за микропроцесорни интегрирани защитни устройства
Освен това, при избора на хардуер за микропроцесорни интегрирани защитни устройства, следва да се отбележат следните въпроси:
Използване на герметизиран, усилван корпус, устойчив на силни вибрации и външни въздействия, с компактен размер, подходящ за сурови условия и монтиране в кабини.
Използване на индустриална двойна CPU структура, с всяко устройство, съдържащо основна CPU и комуникационна CPU. Двете CPU работят в режим на взаимна проверка, подобрявайки реакционното време и точността на устройството, предотвратявайки грешки или невъзможност за действие, и увеличавайки стабилността и надеждността.
Пълен диапазон на автоматично компенсиране на температурата, позволяващ на устройството да работи дълготрайно в околната среда от -20°C до +60°C.
Измервателните и защитни сигнали се обработват отделно в устройството, удовлетворявайки изискванията за точност, диапазон на защита и надеждност.
Използване на специализирана честотна пробна схема за точна следене на честотата на мрежата, правейки изчисленията на електрическите величини по-точни.
Използване на оптична изолация за цифрови входни и изходни сигнали, и екранирани кабели за вътрешната проводка на кабината, ефективно предотвратявайки външни помехи и подобрявайки способността на устройството да се противопоставя на помехи.
Използване на голям LCD екран и мека клавиатура за по-ясно показване на числа и лесна работа.
След налагането в експлоатация и работа, настройките за различни защитни режими се съхраняват цифрово в EPROM, позволявайки лесно възстановяване след отстраняване на грешки или ремонт на дефект.
Включване на пълна схема за контрол на контактора, подходяща за контрол на различни видове контактори, облекчавайки модернизацията на подстанцията.
Разполагане с пълни възможности за анализ на аварии, включително записи на действията по защита, записи на превишаване на границите на електрическите величини и записи на дефекта.
4. Ролята на микропроцесорните интегрирани защитни устройства в високонапрегнатите комутационни апарати
Микропроцесорните защитни устройства осигуряват защита на веригите срещу аномалии. Их ролите в високонапрегнатите комутационни апарати са следните:
Микропроцесорните защитни устройства разполагат със силни възможности за обработка на данни, логически операции и съхранение на информация, с напреднала вътрешна архитектура. Те предлагат пълни защитни функции на традиционната релейна защита. Чрез приемане на сигнали от измервателни компоненти, като токоизмервателни и напрегнатостни трансформатори, устройството може да наблюдава, контролира и защитава състоянието на веригата. Това включва защита срещу късо съединение, прекомерно зареждане, однофазен дефект на земя и т.н. Без защитно устройство, тези функции в високонапрегнатите комутационни апарати се осъществяват чрез релета. С микропроцесорна защита, налични са допълнителни функции, като лесно приемане на дистанционно управление, комуникация с горната система за предаване на сигнали за ток, напрежение, мощност и енергия от веригата, и удобно регулиране на защитните настройки.
