Quin paper joca un dispositiu de protecció integrat per microordinador en l'aparell de commutació a alta tensió, i com s'ha de seleccionar?
El paper i la selecció dels dispositius de protecció integrats amb microordinador en el quadre de distribució d'alta tensió
En els darrers anys, l'aplicació dels dispositius de protecció integrats amb microordinador en projectes de sistemes de distribució d'energia elèctrica de mitja i alta tensió ha augmentat significativament. Aquests dispositius són fàcils d'utilitzar i superen els inconvenients de la protecció per relés tradicionals, com ara la complexitat de l'enllaçatge, la baixa fiabilitat i els procediments de configuració i depuració complicats. Els dispositius de protecció integrats amb microordinador disposen de funcions de diagnòstic complet, el que fa que la detecció i la puesta en marcha siguin molt còmodes.
Quan es detecta una anomalia, la unitat central de processament (CPU) ordina al generador de senyals que emeti els corresponents senyals d'alarma audible i visual. A més, diverses funcions auxiliars són fàcils d'implementar, com ara la impressió de la informació de falles i l'enregistrament de l'hora de les accions de protecció després d'un esdeveniment. Molts fabricants produeixen aquests dispositius, cadascun ofereix productes amb funcionalitats i configuracions d'hardware diferents, el que fa difícil triar el dispositiu de protecció integrat més adequat.
I. Selecció dels dispositius de protecció integrats amb microordinador
Per assegurar-se que els dispositius de protecció integrats amb microordinador compleixen correctament i amb precisió les seves tasques de protecció per relés, la selecció durant la fase de disseny hauria de basar-se en una avaluació completa de la fiabilitat, el temps de resposta, la facilitat de manteniment i puesta en marcha, i les funcions addicionals.
1.1 Fiabilitat dels dispositius de protecció integrats amb microordinador
La entrada de senyal per als dispositius de protecció integrats amb microordinador és la mateixa que per a la protecció per relés tradicional: els senyals de tensió i corrent s'introdueixen des dels transformadors de tensió (VTs) i corrent (CTs), es converteixen per transductors en els senyals estàndard requerits pel dispositiu de protecció, i es filtreixen per eliminar harmonics d'ordre baix i alt i altres senyals d'interferència. Els convertidors analògic-digital (A/D) llavors transformen els senyals analògics en senyals digitals. La CPU realitza càlculs sobre la entrada digital, els compara amb valors preestablerts, pren decisions i decideix si s'ha de disparar un alarm o un trip.
Per complir amb els requisits de fiabilitat, els senyals d'entrada de mesura i protecció són processats i sortits per unitats de processament independents dins del dispositiu. Això assegura una alta precisió de mesura i proporciona un ample margen durant falles greus. El dispositiu no hauria de experimentar un desbordament o saturació A/D quan el corrent del senyal de falla arriba a 20 vegades el valor normal, el que generalment satisfà els requisits de fiabilitat per a aplicacions d'enginyeria típiques.
1.2 Temps de resposta dels dispositius de protecció integrats amb microordinador
Durant el disseny i la selecció, la qualitat d'un dispositiu de protecció només es pot jutjar basant-se en tres indicadors: la precisió de càlcul, el temps de resposta i la càrrega de càlcul. Aquests tres factors són mutuament contradictoris: una precisió de càlcul menor i una càrrega de càlcul menor porten a temps de resposta més ràpids, mentre que una precisió més alta i una càrrega més gran resulten en temps de resposta més lents. Generalment, per als usuaris finals de la xarxa elèctrica, la càrrega de càlcul hauria de ser més gran de 3 vegades, la precisió de càlcul hauria de ser superior al 0,2%, i el temps de resposta màxim hauria de ser inferior a 30 ms per complir els requisits típics d'enginyeria en temps de resposta.
1.3 Selecció d'altres funcions dels dispositius de protecció integrats amb microordinador
Els dispositius de protecció integrats contenen nombrosos circuits integrats, requereixen un alt nivell de coneixements tècnics per al seu manteniment. Durant la selecció, s'haurien de preferir dispositius amb hardware modular i universal, permetent resoldre falles d'hardware simplement reemplaçant mòduls, millorant així l'eficiència del treball.
A més, el dispositiu de protecció hauria de tenir un mòdul EPROM incorporat, permetent que tots els valors de configuració s'almacenin de forma digital. El personal de camp pot recuperar aquests ajustos fàcilment per a la puesta en marcha dels equips sense necessitat de reescriure dades. Per integrar-se amb el sistema de monitoratge automàtic global del projecte, el dispositiu de protecció hauria de tenir capacitats de comunicació, permetent formar una xarxa fàcilment mitjançant barris de dades i permetent la transmissió de la informació d'accions al sistema de monitoratge automàtic superior.
2. Relació entre els dispositius de protecció integrats i el sistema de control d'automatització de la planta
Basat en la configuració i els requisits de comunicació del sistema de control d'automatització de la planta, el sistema d'automatització per als dispositius de protecció integrats amb microordinador es divideix típicament en tres nivells: el nivell de quadres, el nivell de subestació i la sala de control central.
2.1 Nivell de quadres
El nivell de quadres consta de diversos tipus de dispositius de protecció integrats amb microordinador, instal·lats directament en els quadres. Cada dispositiu tracta directament les funcions de mesura, senyals de protecció i control per al seu respectiu armari. Les funcions específiques són les següents:
(1) Armari d'entrada
Funcions de protecció: Desconnectar per sobrecorrent instantània, desconnectar per sobrecorrent amb retard.
Funcions de mesura: Corrent trifàsic, tensió trifàsica, potència activa i reactiva, energia activa i reactiva.
Funcions de monitoratge: Posició oberta/tancada del circuit interrompible.
Funcions de control: Obertura/tancament manual (al armari), control remot d'obertura/tancament.
Funcions d'alarma: Desconnexió per falles, senyals d'avís, obertura/tancament, falles del dispositiu, registre de falles, etc.
(2) Armari de transformador
Funcions de protecció: Desconnexió per sobrecorrent instantània, desconnexió per sobrecorrent amb retard, sobrecàrrega inversa de temps, falla de terra monofàsica, desconnexió per gas pesant.
Funcions de mesura, monitoratge i control: Les mateixes que l'armari d'entrada.
Funcions d'alarma: Desconnexió per falles, gas lleuger, alarma de temperatura, senyals d'avís, obertura/tancament, falles del dispositiu, registre de falles, etc.
(3) Armari de barra
Funcions de protecció, monitoratge i control: Les mateixes que l'armari d'entrada.
Funcions d'alarma: Desconnexió per falles, falles del dispositiu, registre de falles, etc.
(4) Armari de motor
Funcions de protecció: Desconnexió per sobrecorrent instantània, desconnexió per sobrecorrent amb retard, sobrecàrrega, falla de terra monofàsica, baixa tensió, sobrecalentament.
Funcions de mesura: Corrent trifàsic, tensió trifàsica, potència activa i reactiva, energia activa i reactiva.
Funcions de monitoratge: Posició oberta/tancada del circuit interrompible.
Funcions de control: Obertura/tancament manual (al armari), control remot d'obertura/tancament.
Funcions d'alarma: Desconnexió per falles, senyals d'avís, obertura/tancament, falles del dispositiu, registre de falles, etc.
Després de la captura de dades en els seus respectius quadres, els dispositius de protecció transmeten les dades a través d'un bus al ordinador de monitoratge al nivell de subestació. Aquest sistema reduïx considerablement els cables de control, acurta el temps de puesta en marcha en el lloc i milloren l'eficiència del treball.
2.2 Nivell de subestació
Nombrosos senyals de la subestació necessiten ser transmesos a la sala de control central a través de l'Ethernet industrial de la planta, i la subestació rep senyals de la sala de control central per emitir comandes de control als dispositius de protecció. El nivell de subestació sol consistir en ordinadors de control industrial, impressores i pantalles. Les seves funcions principals inclouen la configuració i gestió dels dispositius de protecció integrats en els quadres, el monitoratge de l'operació del sistema, l'establiment i gestió de la base de dades de la subestació, i la comunicació amb la sala de control central.
Degut a que els fabricants mantenen confidencials el software dels dispositius de protecció i els mètodes de càlcul elèctric, el nivell de subestació també ha de gestionar la conversió de protocols de comunicació per facilitar la transmissió i recepció de senyals entre la sala de control central i els dispositius de protecció.
2.3 Xarxa de comunicació
La comunicació entre els quadres i la subestació pot utilitzar una xarxa de bus MODbus, que suporta fins a 64 estacions esclava. S'utilitza aïllament òptic entre la xarxa de comunicació i els dispositius per evitar interferències externes. La comunicació entre la subestació i la sala de control central utilitza un Ethernet industrial amb un mitjà de fibra òptica, amb una velocitat de comunicació superior a 1 Mbps.
2.4 Programari
El programari del sistema pot utilitzar plataformes principals amb arquitectures estàndards internacionals, com Windows NT. Els mòduls de programari haurien d'incloure: programari de control principal, programari gràfic, programari de gestió de bases de dades, programari de generació de relacions i programari de comunicació.
Quan es selecciona el programari, el programari de control principal hauria de tenir un grau elevat de modularitat. Una alta modularitat permet al personal de camp cridar el programari fàcilment basant-se en les condicions del lloc sense necessitat de programació addicional, reduint considerablement la càrrega operativa i de manteniment dels dispatchers i el personal de manteniment i millorant l'eficiència del treball.
3. Aspectes a tenir en compte en la selecció de l'hardware dels dispositius de protecció integrats amb microordinador
A més, cal tenir en compte els següents aspectes en la selecció de l'hardware dels dispositius de protecció integrats amb microordinador:
Utilitzar un capsa sellada i reforçada que sigui resistenta a vibracions fortes i interferències, amb una mida compacta d'instal·lació adequada per a entorns difícils i montatge en armari.
Adoptar una estructura de doble CPU industrial, on cada dispositiu contingui una CPU principal i una CPU de comunicació. Les dues CPUs treballen en mode de verificació mútua, millorant el temps de resposta i la precisió del dispositiu, prevenint malfuncionaments o faltes d'operació, i augmentant la estabilitat i la fiabilitat.
Compensació automàtica de temperatura en tot el rang permet al dispositiu funcionar a llarg termini en entorns de -20°C a +60°C.
Els senyals de mesura i protecció són processats separat dins del dispositiu, complint tant els requisits de precisió com els requisits de rang de protecció i fiabilitat.
Utilitzar un circuit de mostreig de freqüència dedicat per seguir amb precisió la freqüència de la xarxa, fent que els càlculs de magnitud elèctrica siguin més precisos.
Utilitzar aïllament òptic per als senyals d'entrada i sortida digital, i cables blindats per a l'enllaçatge intern de l'armari, evitant eficientment els senyals d'interferència externa i millorant la capacitat anti-interferència del dispositiu.
Utilitzar una pantalla LCD de gran format i un teclat flexible per a una visualització numèrica més clara i una operació més fàcil.
Després de la puesta en marcha i l'operació, els valors de configuració per a diversos modes de protecció s'emmagatzemen de forma digital en EPROM, permetent una recuperació fàcil després de la depuració o reparació de falla de circuit.
Incloure un circuit de control de circuit interrompible complet adequat per controlar diversos tipus de circuit interrompibles, facilitant les actualitzacions de la subestació.
Disposar de capacitats d'anàlisi d'accidents completes, incloent-hi registres d'events d'acció de protecció, registres de límits superats de senyals de magnitud elèctrica, i registre de falles.
4. El paper dels dispositius de protecció integrats amb microordinador en els quadres de distribució d'alta tensió
Els dispositius de protecció amb microordinador protegeixen els circuits contra condicions anòmals. Els seus papers en els quadres de distribució d'alta tensió són els següents:
Els dispositius de protecció amb microordinador posseeixen fortes capacitats de processament de dades, operacions lògiques i emmagatzematge d'informació, amb una arquitectura interna avançada. Ofereixen totes les funcions de protecció complet de la protecció per relés convencional. Reben senyals de components de mesura com els transformadors de corrent i tensió, el dispositiu pot monitorar, controlar i protegir l'estat del circuit. Això inclou la protecció contra curts circuits, sobrecàrregues, falles de terra monofàsica, etc. Sense un dispositiu de protecció, aquestes funcions en un quadre de distribució d'alta tensió es realitzen utilitzant relés. Amb la protecció amb microordinador, es disposa de funcions addicionals, com la facilitat d'acceptar el control remot, la comunicació amb el sistema superior per transmetre senyals de corrent, tensió, potència i energia del circuit, i l'ajust convenient de la configuració de protecció.
