چه نقشی یک دستگاه حفاظتی یکپارچه میکروکامپیوتری در تجهیزات کلیدزنی فشار قوی ایفا می‌کند و چگونه باید آن را انتخاب کرد
نقش و انتخاب دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای در تجهیزات سوئیچینگ فشار قوی
در سال‌های اخیر، استفاده از دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای در پروژه‌های سیستم توزیع برق متوسط و فشار قوی به طور قابل توجهی افزایش یافته است. این دستگاه‌ها کاربرپسند هستند و معایب حفاظت با رله‌های سنتی مانند پیچیدگی کابل‌بندی، قابلیت اطمینان پایین و روش‌های تنظیم و آزمون کارآمدی پیچیده را غلبه می‌کنند. دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای دارای عملکردهای خودآزمایی جامع هستند که تشخیص و راه‌اندازی را بسیار آسان می‌کنند.
هرگاه ناهماهنگی شناسایی شود، واحد پردازش مرکزی (CPU) به مولد سیگنال دستور می‌دهد تا سیگنال‌های هشدار صوتی و تصویری متناسب را صادر کند. علاوه بر این، عملکردهای کمکی متنوعی مانند چاپ اطلاعات خرابی و ضبط زمان عملیات حفاظتی پس از وقوع رویداد به راحتی اجرا می‌شوند. تولیدکنندگان متعددی این دستگاه‌ها را تولید می‌کنند، هر کدام با عملکردها و ساختارهای سخت‌افزاری متفاوت، که انتخاب مناسب‌ترین دستگاه حفاظتی یکپارچه را چالش‌برانگیز می‌کند.
۱. انتخاب دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای
برای اطمینان از اینکه دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای به درستی و دقیق وظایف حفاظتی خود را انجام دهند، انتخاب در مرحله طراحی باید بر اساس ارزیابی جامع قابلیت اطمینان، زمان پاسخ، آسانی نگهداری و راه‌اندازی و عملکردهای اضافی باشد.
۱.۱ قابلیت اطمینان دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای
ورودی سیگنال برای دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای همانند حفاظت با رله‌های 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 فیلتر می‌شوند تا هارمونیک‌های پایین و بالا و سایر سیگنال‌های مداخله‌کننده حذف شوند. تبدیل‌کننده‌های آنالوگ-دیجیتال (A/D) سپس سیگنال‌های آنالوگ را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند. CPU محاسبات را بر روی ورودی دیجیتال انجام می‌دهد، آن‌ها را با مقادیر پیش‌تعیین شده مقایسه می‌کند، قضاوت می‌کند و تصمیم می‌گیرد که آیا باید هشدار یا قطع را فعال کند.
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 در مواقع خرابی شدید حاشیه کافی فراهم می‌کند. دستگاه نباید در صورتی که جریان سیگنال خرابی به ۲۰ برابر مقدار عادی برسد، A/D overflow یا اشباع را تجربه کند، که معمولاً نیازهای قابلیت اطمینان برای کاربردهای مهندسی معمولی را برآورده می‌کند.
۱.۲ زمان پاسخ دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای
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 منجر به زمان پاسخ کندتر می‌شود. به طور کلی، برای کاربران نهایی شبکه برق، بار محاسباتی باید بیش از ۳ برابر باشد، دقت محاسباتی باید بیش از ۰.۲٪ باشد و بیشترین زمان پاسخ باید کمتر از ۳۰ میلی‌ثانیه باشد تا نیازهای مهندسی معمولی برای زمان پاسخ را برآورده کند.
۱.۳ انتخاب عملکردهای دیگر دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای
دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه شامل تعداد زیادی تراشه یکپارچه هستند و نیاز به مهارت فنی بالا برای نگهداری دارند. در انتخاب، باید دستگاه‌هایی با سخت‌افزارهای مدولار و عمومی ترجیح داده شوند، به طوری که با تعویض مدول‌ها، خرابی‌های سخت‌افزاری حل شوند و کارایی کاری بهبود یابد.
علاوه بر این، دستگاه حفاظتی باید دارای ماژول EPROM داخلی باشد تا تمام مقادیر تنظیم شده به صورت دیجیتال ذخیره شوند. کارکنان میدانی می‌توانند این تنظیمات را برای راه‌اندازی تجهیزات بدون نیاز به بازنویسی داده‌ها به راحتی فراخوانی کنند. برای یکپارچه‌سازی با سیستم نظارت خودکار کلی پروژه، دستگاه حفاظتی باید دارای قابلیت‌های ارتباطی باشد تا با استفاده از دیتای بوس‌ها به راحتی شبکه‌ای شود و اطلاعات عملیاتی را به سیستم نظارت خودکار بالاتر منتقل کند.
۲. رابطه بین دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه و سیستم کنترل خودکار کلی کارخانه
بر اساس پیکربندی و نیازهای ارتباطی سیستم کنترل خودکار کارخانه، سیستم خودکار دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه معمولاً به سه لایه تقسیم می‌شود: لایه تجهیزات سوئیچینگ، لایه زیرстанیون و لایه کنترل مرکزی.
۲.۱ لایه تجهیزات سوئیچینگ
لایه تجهیزات سوئیچینگ شامل انواع مختلفی از دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای است که مستقیماً روی تجهیزات سوئیچینگ نصب می‌شوند. هر دستگاه به طور مستقیم اندازه‌گیری، سیگنال‌های حفاظتی و عملکردهای کنترلی برای کابین خود را انجام می‌دهد. عملکردهای خاص به شرح زیر است:
(۱) 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 نظارت: موقعیت باز/بسته شکن.
عملکردهای کنترل: 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.
(۲) کابین ترانسفورماتور
عملکردهای حفاظتی: قطع فوری جریان بیش از حد، قطع جریان بیش از حد با تأخیر، بیش از حد بارگذاری با تأخیر معکوس، خرابی تک‌فاز، قطع به دلیل گاز سنگین.
عملکردهای اندازه‌گیری، نظارت و کنترل: همانند کابین ورودی.
عملکردهای هشدار: قطع به دلیل خرابی، گاز کم، هشدار دما، سیگنال‌های هشدار، باز/بسته شدن، خرابی دستگاه، ضبط خرابی و غیره.
(۳) کابین میله اصلی
عملکردهای حفاظت، نظارت و کنترل: همانند کابین ورودی.
عملکردهای هشدار: قطع به دلیل خرابی، خرابی دستگاه، ضبط خرابی و غیره.
(۴) 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 نظارت: موقعیت باز/بسته شکن.
عملکردهای کنترل: 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 سوئیچینگ مربوطه، دستگاه‌های حفاظتی داده‌ها را از طریق یک بوس به کامپیوتر نظارتی در لایه زیرستانیون ارسال می‌کنند. این سیستم به طور قابل توجهی کابل‌های کنترلی را کاهش می‌دهد، زمان راه‌اندازی محلی را کوتاه می‌کند و کارایی کاری را بهبود می‌بخشد.
۲.۲ لایه زیرستانیون
بسیاری از سیگنال‌های زیرستانیون باید از طریق اترنت صنعتی کارخانه به کنترل مرکزی منتقل شوند، و زیرستانیون سیگنال‌هایی را از کنترل مرکزی دریافت می‌کند تا دستورالعمل‌های کنترلی را به دستگاه‌های حفاظتی ارسال کند. لایه زیرستانیون معمولاً شامل کامپیوترهای کنترل صنعتی، چاپگرهای و نمایشگرهای میزی است. عملکردهای اصلی آن شامل پیکربندی و مدیریت دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه تجهیزات سوئیچینگ، نظارت بر عملکرد سیستم، ایجاد و مدیریت پایگاه داده زیرستانیون و ارتباط با کنترل مرکزی است.
به دلیل اینکه تولیدکنندگان نرم‌افزار و روش‌های محاسبات الکتریکی دستگاه‌های حفاظتی خود را محرمانه نگه می‌دارند، لایه زیرستانیون باید همچنین تبدیل پروتکل‌های ارتباطی را برای تسهیل انتقال و دریافت سیگنال‌ها بین کنترل مرکزی و دستگاه‌های حفاظتی انجام دهد.
۲.۳ شبکه ارتباطی
ارتباط بین تجهیزات سوئیچینگ و زیرستانیون می‌تواند از شبکه بوس MODbus استفاده کند که حداکثر ۶۴ ایستگاه برد دارد. بین شبکه ارتباطی و دستگاه‌ها از جداسازی نوری استفاده می‌شود تا از مداخلات خارجی جلوگیری شود. ارتباط بین زیرستانیون و کنترل مرکزی از اترنت صنعتی با مedium فیبر نوری استفاده می‌کند و نرخ ارتباط بیش از ۱ مگابیت بر ثانیه است.
۲.۴ 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 انتخاب نرم‌افزار، نرم‌افزار کنترل اصلی باید دارای درجه بالایی از مدولاریت باشد. مدولاریت بالا امکان می‌دهد که کارکنان میدانی بر اساس شرایط محلی نرم‌افزار را به راحتی فراخوانی کنند بدون نیاز به برنامه‌نویسی اضافی، که به طور قابل توجهی کارایی کاری و نگهداری را افزایش می‌دهد.
۳. مواردی که باید در انتخاب سخت‌افزار دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای ملاحظه شود
علاوه بر این، موارد زیر باید در انتخاب سخت‌افزار دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای ملاحظه شود:
استفاده از چاسیس بسته و تقویت شده که مقاوم در برابر ارتعاش قوی و مداخلات است، با اندازه نصب فشرده که برای محیط‌های سخت و نصب در کابین مناسب است.
استفاده از ساختار دو-CPU صنعتی، با اینکه هر دستگاه شامل یک CPU اصلی و یک CPU ارتباطی است. دو CPU در حالت چک متقابل کار می‌کنند که زمان پاسخ و دقت دستگاه را افزایش می‌دهد، از عملکرد نادرست یا عدم عملکرد جلوگیری می‌کند و پایداری و قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد.
جبران دما در محدوده کامل اجازه می‌دهد دستگاه در محیط‌هایی از -۲۰ درجه سانتیگراد تا +۶۰ درجه سانتیگراد به طولانی مدت کار کند.
سیگنال‌های اندازه‌گیری و حفاظت به طور جداگانه در دستگاه پردازش می‌شوند، که هم نیازهای دقت 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 به طور موثر از سیگنال‌های مداخله‌کننده خارجی جلوگیری می‌کند و قابلیت ضد مداخله دستگاه را افزایش می‌دهد.
استفاده از نمایشگر LCD با صفحه نمایش بزرگ و کیبورد نرم برای نمایش عددی واضح‌تر و کاربرد آسان‌تر.
پس از راه‌اندازی و عملیات، مقادیر تنظیم شده برای حفاظت‌های مختلف به صورت دیجیتال در EPROM ذخیره می‌شوند، که امکان بازیابی آسان پس از تست یا تعمیر خطای مدار را فراهم می‌کند.
شامل مدار کنترلی کامل شکن که برای کنترل انواع مختلف شکن‌ها مناسب است و به به‌روزرسانی زیرستانیون کمک می‌کند.
دارای قابلیت‌های تحلیل جامع حوادث، از جمله ضبط رویدادهای عملکرد حفاظتی، ضبط محدوده‌های کمیت‌های سیگنال الکتریکی و ضبط خرابی.
۴. نقش دستگاه‌های حفاظتی یکپارچه رایانه‌ای در تجهیزات سوئیچینگ فشار قوی
دستگاه‌های حفاظتی رایانه‌ای مدارها را در برابر شرایط غیرطبیعی محافظت می‌کنند. نقش آن‌ها در تجهیزات سوئیچینگ فشار قوی به شرح زیر است:
دستگاه‌های حفاظتی رایانه‌ای دارای قابلیت‌های پردازش داده قوی، عملیات منطقی و ذخیره‌سازی اطلاعات هستند و دارای یک معماری داخلی پیشرفته هستند. 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 مداری، بیش از حد بارگذاری، خرابی‌های تک‌فاز و غیره است. بدون دستگاه حفاظتی، این عملکردها در تجهیزات سوئیچینگ فشار قوی با استفاده از رله‌ها انجام می‌شوند. با حفاظت رایانه‌ای، عملکردهای اضافی مانند پذیرش راحت کنترل دوردست، ارتباط با سیستم بالاتر برای ارسال سیگنال‌های جریان، ولتاژ، توان و انرژی از مدار و تنظیم آسان مقادیر حفاظتی در دسترس هستند.
