Jakou roli hraje mikropočítačové integrované ochranné zařízení v vysokonapěťovém přepážkovém zařízení a jak jej vybrat?
Role a výběr mikropočítačových integrovaných ochranných zařízení ve vysokotlažném spínacím zařízení
V posledních letech se značně zvýšila aplikace mikropočítačových integrovaných ochranných zařízení v projektech středně- a vysokotlažných elektrických distribučních systémů. Tyto zařízení jsou uživatelsky přívětivá a překonávají nedostatky tradiční relé ochrany, jako je komplexní zapojení, nízká spolehlivost a pracné nastavování a ladění. Mikropočítačová integrovaná ochranná zařízení disponují komplexními samo-diagnostickými funkcemi, což zjednodušuje detekci a provozní ladění.
Jakmile dojde k detekci nepravidelnosti, centrální procesor (CPU) přikáže generátoru signálů vystavit odpovídající akustické a vizuální alarmy. Kromě toho lze snadno implementovat různé pomocné funkce, jako tisk informací o poruchách a záznam času ochranných akcí po události. Mnoho výrobců produkuje tato zařízení, každý nabízí produkty s různými funkcemi a konfigurací hardwaru, což komplikuje výběr nejvhodnějšího integrovaného ochranného zařízení.
I. Výběr mikropočítačových integrovaných ochranných zařízení
Aby bylo zajištěno, že mikropočítačová integrovaná ochranná zařízení správně a přesně plní své úkoly v oblasti relé ochrany, měl by být výběr během fáze návrhu založen na komplexním hodnocení spolehlivosti, doby odezvy, snadnosti údržby a provozního ladění a dalších funkcí.
1.1 Spolehlivost mikropočítačových integrovaných ochranných zařízení
Signálový vstup pro mikropočítačová integrovaná ochranná zařízení je stejný jako u tradiční relé ochrany: napěťové a proudové signály jsou zavedeny z napěťových transformátorů (VTs) a proudivých transformátorů (CTs), převedeny transducery na standardní signály potřebné pro ochranné zařízení a filtrací odstraněny nízké a vysoké harmonické složky a jiné rušivé signály. Analogové-digitační (A/D) převodníky pak analogové signály převádí na digitální signály. CPU provádí výpočty na základě digitálních vstupů, porovnává je s předem nastavenými hodnotami, dělá rozhodnutí a určuje, zda má být vyvolán poplach nebo vyhození.
Aby byly splněny požadavky na spolehlivost, jsou měřicí a ochranné vstupní signály zpracovány a vystaveny nezávislými zpracovatelskými jednotkami v zařízení. To zajišťuje vysokou měřicí přesnost a poskytuje dostatečný rezerv v případě vážných poruch. Zařízení by nemělo zažít A/D přetečení nebo nasycení, pokud signál poruchy dosáhne 20krát normální hodnoty, což obecně splňuje požadavky na spolehlivost typických inženýrských aplikací.
1.2 Doba odezvy mikropočítačových integrovaných ochranných zařízení
Během návrhu a výběru lze kvalitu ochranného zařízení posoudit pouze na základě tří ukazatelů: přesnosti výpočtů, doby odezvy a výpočetního zatížení. Tyto tři faktory jsou vzájemně protichůdné: nižší přesnost výpočtů a menší výpočetní zatížení vedou k rychlejší době odezvy, zatímco vyšší přesnost a větší zatížení vedou k pomalejší době odezvy. Obecně platí, že pro konečné uživatele elektrické sítě by mělo být výpočetní zatížení větší než 3 krát, přesnost výpočtů vyšší než 0,2 % a maximální doba odezvy menší než 30 ms, aby byly splněny typické inženýrské požadavky na dobu odezvy.
1.3 Výběr dalších funkcí mikropočítačových integrovaných ochranných zařízení
Integrovaná ochranná zařízení obsahují mnoho integrovaných čipů, což vyžaduje vysokou technickou znalost pro údržbu. Při výběru by měla být upřednostněna zařízení s modulárním a univerzálním hardwarem, což umožňuje řešení hardwarových poruch prostým výměnou modulů a zlepšuje efektivitu práce.
Kromě toho by mělo ochranné zařízení obsahovat vestavěný EPROM modul, který umožňuje uložení všech nastavených hodnot v digitální formě. Pole pracovníci mohou snadno tyto hodnoty vyvolat pro komise ověření zařízení bez nutnosti přepisování dat. Pro integraci s celkovým projektovým automatizovaným monitorovacím systémem by mělo ochranné zařízení mít komunikační schopnosti, což umožňuje snadné sestavení sítě prostřednictvím datových sběrníc a přenos informací o akcích do vyššího automatizovaného monitorovacího systému.
2. Vztah mezi integrovanými ochrannými zařízeními a automatizovaným kontrolním systémem celého závodu
Na základě konfigurace a komunikačních požadavků automatizovaného kontrolního systému závodu je automatizační systém pro mikropočítačová integrovaná ochranná zařízení obvykle rozdělen do tří vrstev: vrstva spínacího zařízení, vrstva podstanice a centrální kontrolní místnost.
2.1 Vrstva spínacího zařízení
Vrstva spínacího zařízení se skládá z různých typů mikropočítačových integrovaných ochranných zařízení, která jsou přímo instalována na spínací zařízení. Každé zařízení přímo zpracovává měřicí, ochranné signály a funkce ovládání pro svou odpovídající skříň. Specifické funkce jsou následující:
(1) Vstupní skříň
Ochranné funkce: Okamžité přetěžové vyhození, časově prodlevné přetěžové vyhození.
Měřicí funkce: Třífázový proud, třífázové napětí, aktivní a reaktivní výkon, aktivní a reaktivní energie.
Monitorovací funkce: Poloha obvodu vypnuté/zapnuté.
Řídící funkce: Ruční vypnutí/zapnutí (na skříni), dálkové ovládání vypnutí/zapnutí.
Funkce poplachu: Vyhození kvůli poruše, varovné signály, vypnutí/zapnutí, porucha zařízení, záznam poruchy atd.
(2) Transformátorová skříň
Ochranné funkce: Okamžité přetěžové vyhození, časově prodlevné přetěžové vyhození, nepřímé přetěžové vyhození, jednofázová zemní porucha, těžká plynová výhoď.
Měřicí, monitorovací a řídící funkce: Stejné jako vstupní skříň.
Funkce poplachu: Vyhození kvůli poruše, lehká plynová výhoď, teplotní poplach, varovné signály, vypnutí/zapnutí, porucha zařízení, záznam poruchy atd.
(3) Skříň sběrnice
Ochranné, monitorovací a řídící funkce: Stejné jako vstupní skříň.
Funkce poplachu: Vyhození kvůli poruše, porucha zařízení, záznam poruchy atd.
(4) Motorová skříň
Ochranné funkce: Okamžité přetěžové vyhození, časově prodlevné přetěžové vyhození, přetěž, jednofázová zemní porucha, nízké napětí, přehřátí.
Měřicí funkce: Třífázový proud, třífázové napětí, aktivní a reaktivní výkon, aktivní a reaktivní energie.
Monitorovací funkce: Poloha obvodu vypnuté/zapnuté.
Řídící funkce: Ruční vypnutí/zapnutí (na skříni), dálkové ovládání vypnutí/zapnutí.
Funkce poplachu: Vyhození kvůli poruše, varovné signály, vypnutí/zapnutí, porucha zařízení, záznam poruchy atd.
Po shromáždění dat v jejich odpovídajícím spínacím zařízení přenášejí ochranná zařízení data přes sběrnicovou linku do monitorovacího počítače na vrstvě podstanice. Tento systém výrazně snižuje množství kontrolních kabelů, zkracuje dobu komise na místě a zlepšuje efektivitu práce.
2.2 Vrstva podstanice
Mnoho signálů z podstanice musí být přeneseno do centrální kontrolní místnosti prostřednictvím průmyslové Ethernet sítě závodu, a podstanice přijímá signály z centrální kontrolní místnosti, aby vydala příkazy k ochranným zařízením. Vrstva podstanice obvykle zahrnuje průmyslové řídicí počítače, tiskárny a monitory. Hlavní funkce zahrnují konfiguraci a správu integrovaných ochranných zařízení spínacího zařízení, monitorování chodu systému, vytváření a správu databáze podstanice a komunikaci s centrální kontrolní místností.
Vzhledem k tomu, že výrobci uchovávají software ochranných zařízení a metody výpočtů elektrických veličin v tajnosti, musí vrstva podstanice také zajišťovat převod komunikačních protokolů, aby bylo možné přenášet a přijímat signály mezi centrální kontrolní místností a ochrannými zařízeními.
2.3 Komunikační síť
Komunikace mezi spínacím zařízením a podstanicí může použít MODbus sběrnicovou síť, která podporuje až 64 sekundárních stanic. Mezi komunikační sítí a zařízeními je použito optické izolace, aby bylo zabráněno vnějším rušivým signálům. Komunikace mezi podstanicí a centrální kontrolní místností používá průmyslovou Ethernet sítě s optickým médium, s komunikační rychlostí větší než 1 Mbps.
2.4 Software
Systémový software může používat hlavní platformy s mezinárodními standardními architekturami, jako je Windows NT. Softwarové moduly by měly zahrnovat: hlavní řídící software, grafický software, software pro správu databáze, software pro generování zpráv a komunikační software.
Při výběru softwaru by měl hlavní řídící software mít vysokou míru modularizace. Vysoká modularizace umožňuje pracovníkům na místě snadno volat software podle místních podmínek bez dodatečného programování, což výrazně snižuje operační a údržbářské zatížení dispečerů a údržbářů a zlepšuje efektivitu práce.
3. Poznámky k výběru hardwaru pro mikropočítačová integrovaná ochranná zařízení
Dále by měly být zohledněny následující body při výběru hardwaru pro mikropočítačová integrovaná ochranná zařízení:
Použití uzavřeného, zesíleného šasi odolného proti silnému kmitání a rušivým signálům, s kompaktní montážní velikostí vhodnou pro tvrdé prostředí a montáž do skříně.
Použití průmyslového dvojitě-CPU struktury, kde každé zařízení obsahuje hlavní CPU a komunikační CPU. Oba CPU pracují v navzájem kontrolovaném režimu, což zlepšuje dobu odezvy a přesnost zařízení, zabrání nesprávnému fungování nebo selhání a zvyšuje stabilitu a spolehlivost.
Automatická kompenzace teploty v celém rozsahu umožňuje zařízení dlouhodobě fungovat v prostředí od -20°C do +60°C.
Měřicí a ochranné signály jsou zpracovány odděleně v zařízení, což splňuje požadavky na přesnost a rozsah a spolehlivost ochrany.
Použití speciálního frekvenčního vzorkovacího obvodu pro přesné sledování frekvence sítě, což zlepšuje přesnost výpočtů elektrických veličin.
Použití optické izolace pro digitální vstupní a výstupní signály a štítované kabely pro vnitřní spojení v skříni, což efektivně brání vnějším rušivým signálům a zvyšuje odolnost zařízení proti rušení.
Použití velkoformátového LCD displeje a měkké klávesnice pro jasnější zobrazení čísel a snazší obsluhu.
Po komise a spuštění jsou nastavené hodnoty různých ochranných režimů uloženy v digitální formě v EPROM, což umožňuje snadné vyvolání po ladění nebo opravě okruhu.
Zahrnutí komplexního obvodu řízení obvodů pro řízení různých typů obvodů, což usnadňuje modernizaci podstanice.
Disponování komplexními schopnostmi analýzy nehod, včetně záznamu událostí ochranných akcí, záznamu překročení limitů elektrických veličin a záznamu poruch.
4. Role mikropočítačových integrovaných ochranných zařízení ve vysokotlažném spínacím zařízení
Mikropočítačová ochranná zařízení chrání obvody před nepravidelnostmi. Jejich role ve vysokotlažném spínacím zařízení jsou následující:
Mikropočítačová ochranná zařízení mají silné schopnosti zpracování dat, logických operací a ukládání informací, s pokročilou interní architekturou. Nabízejí kompletní ochranné funkce tradiční relé ochrany. Přijímáním signálů od měřicích komponent, jako jsou proudivé a napěťové transformátory, mohou zařízení monitorovat, řídit a chránit stav obvodu. To zahrnuje ochranu proti krátkým obvodům, přetěžování, jednofázovým zemním poruchám atd. Bez ochranného zařízení jsou tyto funkce ve vysokotlažném spínacím zařízení realizovány pomocí relé. S mikropočítačovou ochranou jsou k dispozici další funkce, jako snadné přijímání dálkového ovládání, komunikace s vyšším systémem pro přenos signálů z obvodu, jako jsou proud, napětí, výkon a energie, a snadné nastavení ochranných parametrů.
