Welche Rolle spielt ein Mikrocomputer-Integrations-Schutzgerät in der Hochspannungs-Schaltanlage und wie wählt man es aus?
Rolle und Auswahl von Mikrocomputer-integrierten Schutzeinrichtungen in Hochspannungsschaltanlagen
In den letzten Jahren hat die Anwendung von mikrocomputerintegrierten Schutzeinrichtungen in mittel- und hochspannungsverteilenden Systemprojekten erheblich zugenommen. Diese Geräte sind benutzerfreundlich und überwinden die Nachteile der traditionellen Relaisschutzsysteme, wie komplexe Verkabelung, geringe Zuverlässigkeit und umständliche Einstell- und Abstimmungsprozeduren. Mikrocomputer-integrierte Schutzeinrichtungen verfügen über umfassende Selbstdiagnosefunktionen, was die Erkennung und Inbetriebnahme sehr bequem macht.
Sobald eine Anomalie erkannt wird, befiehlt die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) dem Signalgenerator, entsprechende akustische und visuelle Alarmsignale auszugeben. Darüber hinaus können verschiedene Hilfsfunktionen leicht implementiert werden, wie das Drucken von Fehlerinformationen und das Aufzeichnen der Zeitpunkt von Schutzaktionen nach einem Ereignis. Zahlreiche Hersteller produzieren diese Geräte, wobei jedes Produkt unterschiedliche Funktionalitäten und Hardwarekonfigurationen bietet, was die Auswahl des am besten geeigneten integrierten Schutzelements erschwert.
I. Auswahl von Mikrocomputer-integrierten Schutzeinrichtungen
Um sicherzustellen, dass mikrocomputerintegrierte Schutzeinrichtungen ihre Relaisschutzfunktionen korrekt und genau erfüllen, sollte die Auswahl in der Entwurfsphase auf einer umfassenden Bewertung von Zuverlässigkeit, Reaktionszeit, Wartungs- und Inbetriebnahmeeinfachheit sowie zusätzlichen Funktionen basieren.
1.1 Zuverlässigkeit von Mikrocomputer-integrierten Schutzeinrichtungen
Das Eingangssignal für mikrocomputerintegrierte Schutzeinrichtungen ist dasselbe wie bei traditionellen Relaisschutzsystemen: Spannungs- und Stromsignale werden von Spannungswandlern (VTs) und Stromwandlern (CTs) eingeführt, von Transducern in die vom Schutzgerät erforderlichen Standardsignale umgewandelt und gefiltert, um niedrig- und hochrangige Harmonische und andere Störsignale zu entfernen. Analog-digital (A/D)-Wandler wandeln dann die analogen Signale in digitale Signale um. Die CPU führt Berechnungen an den digitalen Eingängen durch, vergleicht sie mit voreingestellten Werten, fällt Entscheidungen und entscheidet, ob ein Alarm ausgelöst oder ein Auslösen erfolgt.
Um den Anforderungen an die Zuverlässigkeit gerecht zu werden, werden die Mess- und Schutzeingangssignale von unabhängigen Verarbeitungseinheiten innerhalb des Geräts verarbeitet und ausgegeben. Dies gewährleistet eine hohe Messgenauigkeit und bietet einen ausreichenden Spielraum bei schweren Fehlern. Das Gerät sollte keinen A/D-Überlauf oder -Sättigung erfahren, wenn der Fehlersignalstrom 20-mal den normalen Wert erreicht, was in der Regel die Zuverlässigkeitsanforderungen für typische ingenieurtechnische Anwendungen erfüllt.
1.2 Reaktionszeit von Mikrocomputer-integrierten Schutzeinrichtungen
Bei der Konstruktion und Auswahl kann die Qualität eines Schutzgeräts nur anhand von drei Indikatoren beurteilt werden: Berechnungsgenauigkeit, Reaktionszeit und Berechnungsaufwand. Diese drei Faktoren stehen sich gegenseitig entgegen: Geringere Berechnungsgenauigkeit und kleinerer Berechnungsaufwand führen zu kürzeren Reaktionszeiten, während höhere Genauigkeit und größerer Aufwand langsamere Reaktionszeiten zur Folge haben. Im Allgemeinen sollten für Endnutzer des Stromnetzes der Berechnungsaufwand größer als 3-mal, die Berechnungsgenauigkeit höher als 0,2 % und die maximale Reaktionszeit weniger als 30 ms betragen, um den typischen ingenieurtechnischen Anforderungen an die Reaktionszeit gerecht zu werden.
1.3 Auswahl anderer Funktionen von Mikrocomputer-integrierten Schutzeinrichtungen
Integrierte Schutzeinrichtungen enthalten zahlreiche integrierte Chips, was hohe technische Kenntnisse für die Wartung erfordert. Bei der Auswahl sollten Geräte mit modularem und universellem Hardware bevorzugt werden, sodass Hardwarefehler durch einfaches Austauschen von Modulen gelöst werden können, was die Arbeitswirtschaft verbessert.
Darüber hinaus sollte das Schutzgerät ein eingebautes EPROM-Modul haben, das es ermöglicht, alle Einstellungen digital zu speichern. Feldpersonal kann diese Einstellungen problemlos für die Inbetriebnahme des Geräts abrufen, ohne Daten neu schreiben zu müssen. Um in das automatisierte Überwachungssystem des Gesamtprojekts integriert zu werden, sollte das Schutzgerät Kommunikationsfähigkeiten haben, die es ermöglichen, über Datenbusse leicht Netzwerke zu bilden und Aktionssignale an das übergeordnete automatische Überwachungssystem zu senden.
2. Beziehung zwischen integrierten Schutzeinrichtungen und dem gesamtpflanzlichen Automatisierungskontrollsystem
Basierend auf der Konfiguration und den Kommunikationsanforderungen des Pflanzenautomatisierungskontrollsystems wird das Automatisierungssystem für mikrocomputerintegrierte Schutzeinrichtungen in der Regel in drei Ebenen unterteilt: die Schaltanlagenebene, die Umspannebenenebene und die Zentralesteuerung.
2.1 Schaltanlagenebene
Die Schaltanlagenebene besteht aus verschiedenen Arten von mikrocomputerintegrierten Schutzeinrichtungen, die direkt in der Schaltanlage installiert sind. Jedes Gerät übernimmt direkt die Mess-, Schutzsignal- und Steuerfunktionen für seinen jeweiligen Schrank. Die spezifischen Funktionen sind wie folgt:
(1) Einspeise-Schrank
Schutzfunktionen: Sofortiger Überstromauslöser, zeitverzögerter Überstromauslöser.
Messfunktionen: Dreiphasenstrom, dreiphasige Spannung, aktive und reaktive Leistung, aktive und reaktive Energie.
Überwachungsfunktionen: Schaltzustand des Schalters (offen/geschlossen).
Steuerfunktionen: Manuelles Öffnen/Schließen (auf dem Schrank), Fernbedienung zum Öffnen/Schließen.
Alarmfunktionen: Auslösen bei Fehlern, Warnsignale, Öffnen/Schließen, Gerätefehler, Fehlerprotokoll, usw.
(2) Transformator-Schrank
Schutzfunktionen: Sofortiger Überstromauslöser, zeitverzögerter Überstromauslöser, inverser Überlastschutz, Einphasen-Erdschluss, schwerer Gasauslöser.
Mess-, Überwachungs- und Steuerfunktionen: Gleiche wie beim Einspeise-Schrank.
Alarmfunktionen: Auslösen bei Fehlern, leichter Gasalarm, Temperaturwarnung, Warnsignale, Öffnen/Schließen, Gerätefehler, Fehlerprotokoll, usw.
(3) Bus-Schrank
Schutz-, Überwachungs- und Steuerfunktionen: Gleiche wie beim Einspeise-Schrank.
Alarmfunktionen: Auslösen bei Fehlern, Gerätefehler, Fehlerprotokoll, usw.
(4) Motor-Schrank
Schutzfunktionen: Sofortiger Überstromauslöser, zeitverzögerter Überstromauslöser, Überlast, Einphasen-Erdschluss, Niederspannung, Überhitzung.
Messfunktionen: Dreiphasenstrom, dreiphasige Spannung, aktive und reaktive Leistung, aktive und reaktive Energie.
Überwachungsfunktionen: Schaltzustand des Schalters (offen/geschlossen).
Steuerfunktionen: Manuelles Öffnen/Schließen (auf dem Schrank), Fernbedienung zum Öffnen/Schließen.
Alarmfunktionen: Auslösen bei Fehlern, Warnsignale, Öffnen/Schließen, Gerätefehler, Fehlerprotokoll, usw.
Nach der Datenerfassung in ihren jeweiligen Schaltanlagen senden die Schutzeinrichtungen die Daten über einen Bus an den Überwachungsrechner in der Umspannebenenebene. Dieses System reduziert erheblich die Kontrollkabel, verkürzt die Inbetriebnahmedauer vor Ort und verbessert die Arbeitswirtschaft.
2.2 Umspannebenenebene
Viele Signale aus der Umspannebene müssen über das industrielle Ethernet der Anlage an die Zentralesteuerung übertragen werden, und die Umspannebene erhält Signale von der Zentralesteuerung, um Steuerbefehle an die Schutzeinrichtungen zu geben. Die Umspannebenenebene besteht in der Regel aus industriellen Steuercomputern, Druckern und Monitoren. Ihre Hauptfunktionen umfassen die Konfiguration und Verwaltung der Schaltanlagenintegrierten Schutzeinrichtungen, die Überwachung des Systembetriebs, die Einrichtung und Verwaltung der Umspanndatenbank und die Kommunikation mit der Zentralesteuerung.
Da Hersteller die Software und elektrischen Berechnungsmethoden ihrer Schutzeinrichtungen geheim halten, muss die Umspannebenenebene auch die Konvertierung von Kommunikationsprotokollen übernehmen, um die Signalübertragung und -empfang zwischen der Zentralesteuerung und den Schutzeinrichtungen zu erleichtern.
2.3 Kommunikationsnetzwerk
Die Kommunikation zwischen der Schaltanlage und der Umspannebene kann ein MODbus-Busnetzwerk verwenden, das bis zu 64 Slave-Stationen unterstützt. Zwischen dem Kommunikationsnetzwerk und den Geräten wird optische Isolierung verwendet, um externe Störungen zu verhindern. Die Kommunikation zwischen der Umspannebene und der Zentralesteuerung erfolgt über ein Industrie-Ethernet mit Glasfasermedium, wobei die Kommunikationsrate größer als 1 Mbps beträgt.
2.4 Software
Systemsoftware kann Plattformen mit international standardisierten Architekturen wie Windows NT verwenden. Softwaremodule sollten umfassen: Hauptschaltungssoftware, Grafiksoftware, Datenbankverwaltungssoftware, Berichterstellungssoftware und Kommunikationssoftware.
Bei der Auswahl der Software sollte die Hauptschaltungssoftware ein hohes Maß an Modularität aufweisen. Hohe Modularität ermöglicht es dem Feldpersonal, die Software basierend auf den Standortbedingungen ohne zusätzliche Programmierung bereitzustellen, was die Arbeits- und Wartungsaufgaben der Dispatcher und Wartungspersonal erheblich reduziert und die Arbeitswirtschaft verbessert.
3. Zu beachtende Punkte bei der Auswahl der Hardware für mikrocomputerintegrierte Schutzeinrichtungen
Darüber hinaus sollten bei der Auswahl der Hardware für mikrocomputerintegrierte Schutzeinrichtungen die folgenden Punkte beachtet werden:
Verwendung eines abgedichteten, verstärkten Gehäuses, das starken Vibrationen und Störungen widersteht, mit kompakten Installationsabmessungen, geeignet für harte Umgebungen und Schrankmontage.
Einsatz einer industriellen Doppel-CPU-Struktur, wobei jedes Gerät eine Haupt-CPU und eine Kommunikations-CPU enthält. Die beiden CPUs arbeiten im gegenseitigen Prüfmodus, was die Reaktionszeit und Genauigkeit des Geräts verbessert, Fehlfunktionen oder Nichtauslösung verhindert und die Stabilität und Zuverlässigkeit erhöht.
Ganzzahlige Temperaturautomatikkompensation ermöglicht dem Gerät langfristiges Betreiben in Umgebungen von -20°C bis +60°C.
Mess- und Schutzsignale werden innerhalb des Geräts getrennt verarbeitet, was sowohl den Genauigkeitsanforderungen als auch den Schutzbereichs- und Zuverlässigkeitsanforderungen gerecht wird.
Verwendung eines dedizierten Frequenzabtastkreises, um die Netzfrequenz präzise zu verfolgen, was die Berechnung elektrischer Größen genauer macht.
Verwendung von optischer Isolierung für digitale Eingangs- und Ausgangssignale und geschirmte Kabel für die interne Schrankverkabelung, um externe Störsignale effektiv zu verhindern und die Störfestigkeit des Geräts zu verbessern.
Verwendung eines großen LCD-Bildschirms und einer Soft-Tastatur für klarere numerische Anzeigen und einfachere Bedienung.
Nach der Inbetriebnahme und dem Betrieb werden die Einstellwerte für verschiedene Schutzmodi digital in EPROM gespeichert, was eine einfache Abrufbarkeit nach der Abstimmung oder Reparatur von Schaltkreisfehlern ermöglicht.
Ein umfassender Schaltkreis für Schalterschaltungen, geeignet zur Steuerung verschiedener Schaltertypen, erleichtert die Modernisierung der Umspannanlage.
Umfasst umfassende Unfallanalysefähigkeiten, einschließlich Schutzaktionenereignisprotokolle, Überschreitung von elektrischen Größen und Fehlerprotokolle.
4. Rolle von Mikrocomputer-integrierten Schutzeinrichtungen in Hochspannungsschaltanlagen
Mikrocomputer-Schutzeinrichtungen schützen Schaltkreise vor unnormalen Zuständen. Ihre Rollen in Hochspannungsschaltanlagen sind wie folgt:
Mikrocomputer-Schutzeinrichtungen verfügen über starke Datenverarbeitungs-, logische Operation- und Informationsspeicherfähigkeiten, mit fortschrittlicher internen Architektur. Sie bieten die vollständigen Schutzfunktionen konventioneller Relaisschutzsysteme. Durch das Empfangen von Signalen von Messkomponenten wie Strom- und Spannungswandlern kann das Gerät den Zustand des Schaltkreises überwachen, steuern und schützen. Dies umfasst den Schutz gegen Kurzschlüsse, Überlastungen, Einphasen-Erdschlüsse usw. Ohne ein Schutzgerät werden diese Funktionen in einer Hochspannungsschaltanlage mithilfe von Relais erreicht. Mit Mikrocomputerschutz sind zusätzliche Funktionen verfügbar, wie das einfache Akzeptieren von Fernbedienung, die Kommunikation mit dem übergeordneten System zur Übertragung von Strom-, Spannungs-, Leistungs- und Energiesignalen aus dem Schaltkreis und die bequeme Anpassung der Schutzeinstellungen.
