چه نقشی یک دستگاه حفاظتی یکپارچه میکروکامپیوتری در تجهیزات سوئیچینگ فشار قوی ایفا می‌کند و چگونه باید آن را انتخاب کرد
دور وانتخاب دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری در تجهیزات قطع وصل بالقوه
در سال‌های اخیر، استفاده از دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری در پروژه‌های سیستم توزیع برق متوسط و بالقوه به طور قابل توجهی افزایش یافته است. این دستگاه‌ها کاربرپسند هستند و نقاط ضعف حفاظت رله‌ای سنتی مانند سیم‌بندی پیچیده، قابلیت اطمینان کم و رویه‌های تنظیم و تست کارآمد را غلبه می‌کنند. دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری ویژگی‌های تشخیص خودکار جامع دارند که آزمون و کمیسیونینگ را بسیار راحت می‌کنند.
هر زمان که ناهماهنگی شناسایی شود، واحد پردازش مرکزی (CPU) دستور می‌دهد تا ژنراتور سیگنال سیگنال‌های هشدار صوتی و بصری مناسب را ارسال کند. علاوه بر این، عملکردهای کمکی متنوعی مانند چاپ اطلاعات خرابی و ضبط زمان عملکرد حفاظتی پس از وقوع رویداد به راحتی اجرا می‌شوند. تولیدکنندگان متعددی این دستگاه‌ها را تولید می‌کنند که هر یک محصولات با عملکرد و ساختار سخت‌افزاری متفاوتی دارند که انتخاب دستگاه حفاظتی مجتمع مناسب را چالش‌برانگیز می‌کند.
I. انتخاب دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری
برای اطمینان از اینکه دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری به درستی و دقیق وظایف حفاظت رله‌ای خود را انجام دهند، انتخاب در فاز طراحی باید براساس ارزیابی جامع قابلیت اطمینان، زمان پاسخ، راحتی نگهداری و کمیسیونینگ و عملکردهای اضافی باشد.
1.1 قابلیت اطمینان دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری
ورودی سیگنال برای دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری مانند حفاظت رله‌ای سنتی است: سیگنال‌های ولتاژ و جریان از ترانسفورماتورهای ولتاژ (VTs) و جریان (CTs) معرفی می‌شوند، توسط تبدیل‌کننده‌ها به سیگنال‌های استاندارد مورد نیاز دستگاه تبدیل می‌شوند و برای حذف هارمونیک‌های پایین و بالا و سایر سیگنال‌های مداخله‌کننده فیلتر می‌شوند. تبدیل‌کننده‌های آنالوگ به دیجیتال (A/D) سپس سیگنال‌های آنالوگ را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند. CPU محاسباتی را بر روی ورودی دیجیتال انجام می‌دهد، آن‌ها را با مقادیر پیش‌فرض مقایسه می‌کند، قضاوت می‌کند و تصمیم می‌گیرد که آیا باید هشدار یا قطع داده شود.
برای برآوردن نیازهای قابلیت اطمینان، سیگنال‌های ورودی اندازه‌گیری و حفاظت توسط واحدهای پردازش مستقل در دستگاه پردازش و خروجی می‌شوند. این امر دقت اندازه‌گیری بالا را تضمین می‌کند و حاشیه کافی در شرایط خرابی شدید فراهم می‌کند. دستگاه نباید A/D overflow یا اشباع شود وقتی که جریان سیگنال خرابی به ۲۰ برابر مقدار عادی برسد، که معمولاً نیازهای قابلیت اطمینان برای کاربردهای مهندسی معمولی را برآورده می‌کند.
1.2 زمان پاسخ دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری
در طراحی و انتخاب، کیفیت یک دستگاه حفاظتی فقط می‌تواند بر اساس سه شاخص قضاوت شود: دقت محاسباتی، زمان پاسخ و بار محاسباتی. این سه عامل با یکدیگر متناقض هستند: دقت محاسباتی کمتر و بار محاسباتی کوچک‌تر منجر به زمان پاسخ سریع‌تر می‌شود، در حالی که دقت بالاتر و بار بزرگ‌تر نتیجه می‌دهد زمان پاسخ کندتر. به طور کلی، برای کاربران نهایی شبکه برق، بار محاسباتی باید بیش از ۳ برابر باشد، دقت محاسباتی باید بالاتر از ۰.۲٪ باشد و زمان پاسخ حداکثر باید کمتر از ۳۰ میلی‌ثانیه باشد تا نیازهای مهندسی معمولی برای زمان پاسخ را برآورده کند.
1.3 انتخاب عملکردهای دیگر دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری
دستگاه‌های حفاظتی مجتمع شامل تعداد زیادی تراشه مجتمع هستند که نیاز به مهارت فنی بالایی برای نگهداری دارند. در زمان انتخاب، باید دستگاه‌هایی با سخت‌افزارهای ماژولار و عمومی ترجیح داده شوند که با تعویض ماژول‌ها، مشکلات سخت‌افزاری را می‌توان حل کرد و بهبود کارایی کاری را فراهم کرد.
علاوه بر این، دستگاه حفاظتی باید دارای ماژول EPROM داخلی باشد تا تمام مقادیر تنظیم شده به صورت دیجیتال ذخیره شوند. کارکنان میدانی می‌توانند به راحتی این تنظیمات را برای کمیسیونینگ تجهیزات بازیابی کنند بدون اینکه نیاز به بازنویسی داده‌ها باشد. برای یکپارچه‌سازی با سیستم نظارت خودکار کلی پروژه، دستگاه حفاظتی باید دارای قابلیت‌های ارتباطی باشد تا با استفاده از باس‌های داده به راحتی شبکه‌ای شکل گرفته و اطلاعات عملکردی به سیستم نظارت خودکار سطح بالاتر منتقل شوند.
2. رابطه بین دستگاه‌های حفاظتی مجتمع و سیستم کنترل خودکار کلی کارخانه
بر اساس پیکربندی و نیازهای ارتباطی سیستم کنترل خودکار کارخانه، سیستم خودکار دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری معمولاً به سه لایه تقسیم می‌شود: لایه تجهیزات قطع وصل، لایه زیرстан و لایه کنترل مرکزی.
2.1 لایه تجهیزات قطع وصل
لایه تجهیزات قطع وصل شامل انواع مختلفی از دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری است که مستقیماً روی تجهیزات قطع وصل نصب می‌شوند. هر دستگاه به طور مستقیم اندازه‌گیری، سیگنال‌های حفاظت و کنترل برای کابین خود را مدیریت می‌کند. عملکردهای خاص به شرح زیر هستند:
(1) کابین ورودی
عملکردهای حفاظتی: قطع فوری جریان بیش از حد، قطع جریان بیش از حد با تأخیر.
عملکردهای اندازه‌گیری: جریان سه‌فاز، ولتاژ سه‌فاز، توان فعال و غیرفعال، انرژی فعال و غیرفعال.
عملکردهای نظارتی: موقعیت باز/بسته شدن قطع‌کننده.
عملکردهای کنترلی: باز/بسته شدن دستی (در کابین)، کنترل دوردست باز/بسته شدن.
عملکردهای هشدار: قطع به دلیل خرابی، سیگنال‌های هشدار، باز/بسته شدن، خرابی دستگاه، ضبط خرابی و غیره.
(2) کابین ترانسفورماتور
عملکردهای حفاظتی: قطع فوری جریان بیش از حد، قطع جریان بیش از حد با تأخیر، بیش از حد بارگذاری معکوس، خرابی تک‌فاز، قطع به دلیل گاز سنگین.
عملکردهای اندازه‌گیری، نظارت و کنترل: همانند کابین ورودی.
عملکردهای هشدار: قطع به دلیل خرابی، گاز نرم، هشدار دما، سیگنال‌های هشدار، باز/بسته شدن، خرابی دستگاه، ضبط خرابی و غیره.
(3) کابین مادر
عملکردهای حفاظت، نظارت و کنترل: همانند کابین ورودی.
عملکردهای هشدار: قطع به دلیل خرابی، خرابی دستگاه، ضبط خرابی و غیره.
(4) کابین موتور
عملکردهای حفاظتی: قطع فوری جریان بیش از حد، قطع جریان بیش از حد با تأخیر، بیش از حد بارگذاری، خرابی تک‌فاز، ولتاژ پایین، گرم شدن بیش از حد.
عملکردهای اندازه‌گیری: جریان سه‌فاز، ولتاژ سه‌فاز، توان فعال و غیرفعال، انرژی فعال و غیرفعال.
عملکردهای نظارتی: موقعیت باز/بسته شدن قطع‌کننده.
عملکردهای کنترلی: باز/بسته شدن دستی (در کابین)، کنترل دوردست باز/بسته شدن.
عملکردهای هشدار: قطع به دلیل خرابی، سیگنال‌های هشدار، باز/بسته شدن، خرابی دستگاه، ضبط خرابی و غیره.
پس از جمع‌آوری داده‌ها در تجهیزات قطع وصل خود، دستگاه‌های حفاظتی داده‌ها را از طریق باس به رایانه نظارت در لایه زیرستان ارسال می‌کنند. این سیستم به طور قابل توجهی کابل‌های کنترلی را کاهش می‌دهد، زمان کمیسیونینگ میدانی را کوتاه می‌کند و کارایی کاری را بهبود می‌بخشد.
2.2 لایه زیرستان
بسیاری از سیگنال‌های زیرستان باید از طریق اترنت صنعتی کارخانه به کنترل مرکزی ارسال شوند و زیرستان سیگنال‌هایی را از کنترل مرکزی دریافت می‌کند تا دستورالعمل‌های کنترلی را به دستگاه‌های حفاظتی ارسال کند. لایه زیرستان معمولاً شامل رایانه‌های کنترل صنعتی، چاپگرهای و مانیتورهای است. عملکردهای اصلی آن شامل پیکربندی و مدیریت دستگاه‌های حفاظتی مجتمع تجهیزات قطع وصل، نظارت بر عملکرد سیستم، ایجاد و مدیریت پایگاه داده زیرستان و ارتباط با کنترل مرکزی است.
به دلیل اینکه تولیدکنندگان نرم‌افزار و روش‌های محاسبات الکتریکی دستگاه‌های حفاظتی خود را محرمانه نگه می‌دارند، لایه زیرستان باید همچنین تبدیل پروتکل ارتباطی را برای تسهیل ارسال و دریافت سیگنال‌ها بین کنترل مرکزی و دستگاه‌های حفاظتی انجام دهد.
2.3 شبکه ارتباطی
ارتباط بین تجهیزات قطع وصل و زیرستان می‌تواند از شبکه باس MODbus استفاده کند که حداکثر ۶۴ ایستگاه بندی را پشتیبانی می‌کند. بین شبکه ارتباطی و دستگاه‌ها از جداسازی نوری استفاده می‌شود تا از مداخله خارجی جلوگیری شود. ارتباط بین زیرستان و کنترل مرکزی از اترنت صنعتی با مedium فیبر نوری استفاده می‌کند که نرخ ارتباط بیش از ۱ مگابیت بر ثانیه است.
2.4 نرم‌افزار
نرم‌افزار سیستم می‌تواند از پلتفرم‌های اصلی با معماری استاندارد بین‌المللی مانند Windows NT استفاده کند. ماژول‌های نرم‌افزاری باید شامل: نرم‌افزار کنترل اصلی، نرم‌افزار گرافیکی، نرم‌افزار مدیریت پایگاه داده، نرم‌افزار تولید گزارش و نرم‌افزار ارتباطی باشد.
در زمان انتخاب نرم‌افزار، نرم‌افزار کنترل اصلی باید دارای میزان بالایی از ماژولاریتی باشد. ماژولاریتی بالا به کارکنان میدانی اجازه می‌دهد تا به راحتی نرم‌افزار را بر اساس شرایط محلی فراخوانی کنند بدون اینکه نیاز به برنامه‌نویسی اضافی داشته باشند، که به طور قابل توجهی بار کاری و نگهداری را کاهش می‌دهد و کارایی کاری را بهبود می‌بخشد.
3. مواردی که در زمان انتخاب سخت‌افزار دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری باید توجه شود
علاوه بر این، در زمان انتخاب سخت‌افزار دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری باید به موارد زیر توجه شود:
استفاده از بدنه محکم و تقویت شده که مقاوم در برابر ارتعاش قوی و مداخله است، با اندازه نصب فشرده که برای محیط‌های سخت و نصب در کابین مناسب است.
استفاده از ساختار دو-CPU صنعتی، با وجود یک CPU اصلی و یک CPU ارتباطی در هر دستگاه. دو CPU به صورت متقابل کار می‌کنند که زمان پاسخ و دقت دستگاه را بهبود می‌بخشد، از عملکرد نادرست یا عدم عملکرد جلوگیری می‌کند و پایداری و قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد.
تعویض دمایی کامل محدوده‌ای را فراهم می‌کند که دستگاه می‌تواند در محیط‌هایی با دمای -۲۰ درجه تا +۶۰ درجه سلسیوس به طور مداوم عملکرد کند.
سیگنال‌های اندازه‌گیری و حفاظت به طور جداگانه در داخل دستگاه پردازش می‌شوند که هم دقت مورد نیاز و هم محدوده و قابلیت اطمینان را برآورده می‌کند.
استفاده از مدار نمونه‌برداری فرکانس اختصاصی برای پیگیری دقیق فرکانس شبکه، که محاسبات کمیت‌های الکتریکی را دقیق‌تر می‌کند.
استفاده از جداسازی نوری برای سیگنال‌های ورودی و خروجی دیجیتال و استفاده از کابل‌های محافظ در داخل کابین، که مؤثر است در جلوگیری از سیگنال‌های مداخله‌کننده خارجی و بهبود قابلیت مقاومت در برابر مداخله دستگاه.
استفاده از نمایشگر LCD با صفحه نمایش بزرگ و کیبورد نرم برای نمایش عددی واضح‌تر و راحت‌تر عملکرد.
پس از کمیسیونینگ و عملکرد، مقادیر تنظیم شده برای انواع مختلف حفاظت به صورت دیجیتال در EPROM ذخیره می‌شوند، که بازیابی آسان آن‌ها را پس از آزمون یا تعمیر خطای مدار فراهم می‌کند.
شامل مدار کنترل کامل قطع‌کننده که مناسب برای کنترل انواع مختلف قطع‌کننده‌ها است، که به به‌روزرسانی زیرستان کمک می‌کند.
دارای قابلیت‌های تحلیل کامل حوادث، از جمله ضبط رویدادهای عملکرد حفاظت، ضبط محدودیت‌های سیگنال‌های کمیت‌های الکتریکی و ضبط خرابی.
4. نقش دستگاه‌های حفاظتی مجتمع میکروکامپیوتری در تجهیزات قطع وصل بالقوه
دستگاه‌های حفاظتی میکروکامپیوتری مدار را در برابر شرایط ناهماهنگی محافظت می‌کنند. نقش‌های آن‌ها در تجهیزات قطع وصل بالقوه به شرح زیر است:
دستگاه‌های حفاظتی میکروکامپیوتری دارای قابلیت‌های پردازش داده‌های قوی، عملیات منطقی و ذخیره‌سازی اطلاعات هستند، با یک معماری داخلی پیشرفته. آن‌ها عملکردهای حفاظتی کامل حفاظت رله‌ای سنتی را ارائه می‌دهند. با دریافت سیگنال‌ها از اجزای اندازه‌گیری مانند ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ، دستگاه می‌تواند وضعیت مدار را نظارت، کنترل و محافظت کند. این شامل حفاظت در برابر خرابی‌های کوتاه مدار، بیش از حد بارگذاری، خرابی تک‌فاز و غیره است. بدون دستگاه حفاظتی، این عملکردها در تجهیزات قطع وصل بالقوه با استفاده از رله‌ها انجام می‌شوند. با حفاظت میکروکامپیوتری، عملکردهای اضافی نیز موجود هستند، مانند قبول راحت کنترل دوردست، ارتباط با سیستم سطح بالاتر برای ارسال سیگنال‌های جریان، ولتاژ، توان و انرژی از مدار و تنظیم راحت حفاظت.
