Welke rol speelt een geïntegreerde microcomputer beschermingsapparaat in hoogspanningsinstallaties en hoe kiest men het?
Rol en Selectie van Geïntegreerde Microcomputer Protectieapparatuur in Hoogspanningskasten
De laatste jaren is de toepassing van geïntegreerde microcomputer protectieapparatuur in middel- en hoogspanningsverdeelsystemen projecten aanzienlijk toegenomen. Deze apparaten zijn gebruiker-vriendelijk en overwinnen de nadelen van traditionele relaisbescherming, zoals complexe bedrading, lage betrouwbaarheid en omslachtige instellings- en opstartprocedures. Geïntegreerde microcomputer protectieapparatuur heeft uitgebreide zelfdiagnosefuncties, waardoor detectie en inbedrijfstelling zeer eenvoudig zijn.
Bij het detecteren van een anomalie geeft de centrale verwerkingseenheid (CPU) de signaalgenerator opdracht om corresponderende geluid- en visuele alarmsignalen te geven. Daarnaast kunnen verschillende hulpfuncties gemakkelijk worden geïmplementeerd, zoals het afdrukken van storinginformatie en het vastleggen van de tijd van beschermingsacties na een gebeurtenis. Veel fabrikanten produceren deze apparaten, elk met producten met verschillende functionaliteiten en hardwareconfiguraties, waardoor het moeilijk is om de meest geschikte geïntegreerde beschermingsapparatuur te kiezen.
I. Selectie van Geïntegreerde Microcomputer Protectieapparatuur
Om ervoor te zorgen dat geïntegreerde microcomputer protectieapparatuur correct en nauwkeurig hun relaisbeschermingstaken vervult, moet de selectie tijdens het ontwerpfase gebaseerd zijn op een grondige evaluatie van betrouwbaarheid, reactietijd, onderhouds- en inbedrijfstellingsgemak, en extra functies.
1.1 Betrouwbaarheid van Geïntegreerde Microcomputer Protectieapparatuur
Het signaal ingang voor geïntegreerde microcomputer protectieapparatuur is hetzelfde als voor traditionele relaisbescherming: spanning- en stroomsignalen worden ingevoerd vanuit spanningstransformatoren (VT's) en stroomtransformatoren (CT's), omgezet door transducers naar standaardsignalen die nodig zijn voor het beschermingsapparaat, en gefilterd om lagere- en hogere harmonische en andere interferentie signalen te verwijderen. Analog-digital (A/D) converters transformeren de analoge signalen dan in digitale signalen. De CPU voert berekeningen uit op de digitale invoer, vergelijkt deze met vooraf ingestelde waarden, maakt oordelen en beslist of er een alarm moet worden getriggerd of een uitschakeling moet plaatsvinden.
Om aan de betrouwbaarheidsvereisten te voldoen, worden de meet- en beschermingsingangs signalen verwerkt en uitgevoerd door onafhankelijke verwerkingsunits binnen het apparaat. Dit zorgt voor een hoge meetnauwkeurigheid en biedt voldoende marge bij ernstige storingen. Het apparaat mag geen A/D-overloop of verzadiging ervaren wanneer de storingssignaalstroom 20 keer de normale waarde bereikt, wat in het algemeen voldoet aan de betrouwbaarheidsvereisten voor typische ingenieursprojecten.
1.2 Reactietijd van Geïntegreerde Microcomputer Protectieapparatuur
Tijdens het ontwerp en de selectie kan de kwaliteit van een beschermingsapparaat alleen worden beoordeeld op basis van drie indicatoren: berekeningsnauwkeurigheid, reactietijd en berekeningsbelasting. Deze drie factoren staan elkaar tegen: lagere berekeningsnauwkeurigheid en kleinere berekeningsbelasting leiden tot snellere reactietijden, terwijl hogere nauwkeurigheid en grotere belasting resulteren in langzamere reactietijden. In het algemeen moeten voor eindgebruikers van het elektriciteitsnet de berekeningsbelasting groter zijn dan 3 keer, de berekeningsnauwkeurigheid hoger dan 0,2% en de maximale reactietijd minder dan 30 ms om aan de typische ingenieursvereisten voor reactietijd te voldoen.
1.3 Selectie van Andere Functies van Geïntegreerde Microcomputer Protectieapparatuur
Geïntegreerde beschermingsapparatuur bevat veel geïntegreerde chips, waardoor hoge technische expertise vereist is voor onderhoud. Tijdens de selectie moeten apparaten met modulaire en universele hardware worden verkozen, waardoor hardwarefouten kunnen worden opgelost door eenvoudig modules te vervangen, waardoor de werkzaamheden efficiënter worden.
Daarnaast moet het beschermingsapparaat een ingebouwd EPROM-module hebben, waarmee alle instelwaarden digitaal kunnen worden opgeslagen. Veldpersoneel kan deze instellingen gemakkelijk oproepen voor de inbedrijfstelling van de apparatuur zonder dat data opnieuw hoeft te worden ingevoerd. Om te integreren met het geautomatiseerde monitoren systeem van het gehele project, moet het beschermingsapparaat communicatiecapaciteiten hebben, waardoor netwerken gemakkelijk kunnen worden gevormd via databussen en actie-informatie kan worden doorgestuurd naar het hogere geautomatiseerde monitoren systeem.
2. Relatie tussen Geïntegreerde Beschermingsapparatuur en het Algehele Automatisering Controlesysteem
Op basis van de configuratie en communicatie-eisen van het automatisering controlesysteem van de installatie, wordt het automatiseringssysteem voor geïntegreerde microcomputer protectieapparatuur meestal verdeeld in drie lagen: de schakelkastlaag, de substationlaag en de centrale controlekamer.
2.1 Schakelkastlaag
De schakelkastlaag bestaat uit verschillende soorten geïntegreerde microcomputer protectieapparatuur, rechtstreeks geïnstalleerd op de schakelkasten. Elk apparaat handelt direct de meet-, beschermings- en controlefuncties af voor de respectieve kast. Specifieke functies zijn als volgt:
(1) Inkomende Kast
Beschermingsfuncties: Directe overstroomuitschakeling, vertraagde overstroomuitschakeling.
Meetfuncties: Driefasenstroom, driefasenspanning, actief en reactief vermogen, actieve en reactieve energie.
Monitorfuncties: Schakelaar open/gesloten positie.
Controlefuncties: Handmatig open/gesloten (op kast), externe controle open/gesloten.
Alarmfuncties: Uitschakeling bij storing, waarschuwingsignalen, open/gesloten, apparaatdefect, storingregistratie, enz.
(2) Transformatorkast
Beschermingsfuncties: Directe overstroomuitschakeling, vertraagde overstroomuitschakeling, inverse-tijd overbelasting, enkelphase-aarde-fout, zwaar gas trip.
Meet-, monitor- en controlefuncties: Zelfde als inkomende kast.
Alarmfuncties: Uitschakeling bij storing, licht gas, temperatuuralarm, waarschuwingsignalen, open/gesloten, apparaatdefect, storingregistratie, enz.
(3) Buskast
Beschermings-, monitor- en controlefuncties: Zelfde als inkomende kast.
Alarmfuncties: Uitschakeling bij storing, apparaatdefect, storingregistratie, enz.
(4) Motorkast
Beschermingsfuncties: Directe overstroomuitschakeling, vertraagde overstroomuitschakeling, overbelasting, enkelphase-aarde-fout, lage spanning, oververhitting.
Meetfuncties: Driefasenstroom, driefasenspanning, actief en reactief vermogen, actieve en reactieve energie.
Monitorfuncties: Schakelaar open/gesloten positie.
Controlefuncties: Handmatig open/gesloten (op kast), externe controle open/gesloten.
Alarmfuncties: Uitschakeling bij storing, waarschuwingsignalen, open/gesloten, apparaatdefect, storingregistratie, enz.
Na de gegevensverzameling binnen de respectieve schakelkasten, zenden de beschermingsapparatuur de gegevens via een bus door naar de bewakingscomputer op de substationlaag. Dit systeem vermindert aanzienlijk de bedrading, verkort de opstarttijd ter plaatse en verbetert de werkzaamhedeffectiviteit.
2.2 Substationlaag
Veel signalen van de substation moeten via het industriële Ethernet van de installatie worden doorgestuurd naar de centrale controlekamer, en de substation ontvangt signalen van de centrale controlekamer om controlecommando's uit te geven aan de beschermingsapparatuur. De substationlaag bestaat meestal uit industriële controlecomputers, printers en monitors. De belangrijkste functies zijn het configureren en beheren van de geïntegreerde beschermingsapparatuur in de schakelkasten, het bewaken van het systeem, het opzetten en beheren van de substationdatabase, en communiceren met de centrale controlekamer.
Omdat fabrikanten hun software en elektrische berekeningmethoden voor beschermingsapparatuur geheim houden, moet de substationlaag ook communicatieprotocolconversie afhandelen om signaaloverdracht en -ontvangst tussen de centrale controlekamer en de beschermingsapparatuur mogelijk te maken.
2.3 Communicatienetwerk
Communicatie tussen de schakelkasten en de substation kan gebruikmaken van een MODbus-busnetwerk, dat maximaal 64 slavenstations ondersteunt. Tussen het communicatienetwerk en de apparaten wordt optische isolatie gebruikt om externe storingen te voorkomen. Communicatie tussen de substation en de centrale controlekamer maakt gebruik van een industrieel Ethernet met een vezeloptisch medium, met een communicatiesnelheid van meer dan 1 Mbps.
2.4 Software
Systeemsoftware kan gebruikmaken van mainstream platforms met internationale standaardarchitecturen, zoals Windows NT. Softwaremodules moeten onder andere omvatten: hoofdbesturingssoftware, grafische software, databasebeheersoftware, rapportgeneratiesoftware en communicatiesoftware.
Bij de selectie van software moet de hoofdbesturingssoftware een hoge mate van modulariteit hebben. Een hoge mate van modulariteit stelt veldpersoneel in staat om software gemakkelijk op te roepen op basis van de situatie ter plaatse zonder extra programmering, waardoor de operationele en onderhoudswerklast voor dispatchers en onderhoudspersoneel aanzienlijk wordt verminderd en de werkzaamhedeffectiviteit wordt verbeterd.
3. Zaken die Rekening Houden bij de Selectie van Hardware voor Geïntegreerde Microcomputer Protectieapparatuur
Daarnaast moeten de volgende zaken rekening houden bij de selectie van hardware voor geïntegreerde microcomputer protectieapparatuur:
Gebruik een gesloten, versterkte behuizing die bestand is tegen sterke trillingen en storingen, met een compacte installatiegrootte die geschikt is voor ruige omstandigheden en kastmontage.
Voer een industriële dubbele-CPU-structuur in, waarbij elk apparaat een hoofd-CPU en een communicatie-CPU bevat. De twee CPU's werken in een wederzijdse controlemodus, waardoor de reactietijd en nauwkeurigheid van het apparaat verbeteren, het foutief of niet-opereren voorkomen en de stabiliteit en betrouwbaarheid verhogen.
Volledige temperatuurautomatische compensatie stelt het apparaat in staat om langdurig te werken in omgevingen van -20°C tot +60°C.
Meet- en beschermingsignalen worden apart verwerkt binnen het apparaat, zodat zowel de nauwkeurigheidsvereisten als de beschermingsbereik- en betrouwbaarheidsvereisten worden voldaan.
Gebruik een speciale frequentie-monsterschakeling om de netfrequentie nauwkeurig te volgen, waardoor elektrische berekeningen nauwkeuriger worden.
Gebruik optische isolatie voor digitale in- en uitgangssignalen, en geschermd kabelwerk voor interne kastbedrading, waardoor externe storingssignalen effectief worden voorkomen en de storend-bestendigheid van het apparaat wordt verbeterd.
Gebruik een groot LCD-scherm en een soft-keyboard voor duidelijkere numerieke weergave en gemakkelijker bediening.
Na de inbedrijfstelling en bedrijfsvoering worden de instelwaarden voor verschillende beschermingsmodi digitaal opgeslagen in EPROM, waardoor ze gemakkelijk kunnen worden opgeroepen na debuggen of circuitstoring herstel.
Inclusief een volledige schakelaarcontrolecircuit dat geschikt is voor het controleren van verschillende soorten schakelaars, waardoor upgrades van de substation worden vergemakkelijkt.
Heeft uitgebreide ongevalanalysecapaciteiten, inclusief beschermingsactie evenementenrecords, elektrische hoeveelheid signalen limietoverschrijdingsrecords en storingregistratie.
4. De Rol van Geïntegreerde Microcomputer Protectieapparatuur in Hoogspanningskasten
Microcomputer beschermingsapparatuur beschermt circuits tegen abnormale omstandigheden. Hun rollen in hoogspanningskasten zijn als volgt:
Microcomputer beschermingsapparatuur heeft sterke gegevensverwerkings-, logische operatie- en informatieopslagcapaciteiten, met een geavanceerde interne architectuur. Ze bieden de complete beschermingsfuncties van conventionele relaisbescherming. Door signalen te ontvangen van meetcomponenten zoals stroomtransformatoren en spanningstransformatoren, kan het apparaat de toestand van het circuit monitoren, regelen en beschermen. Dit omvat bescherming tegen kortsluiting, overbelasting, enkelphase-aarde-fouten, enz. Zonder een beschermingsapparaat worden deze functies in een hoogspanningskast bereikt met behulp van relais. Met microcomputerbescherming zijn extra functies beschikbaar, zoals eenvoudige acceptatie van externe bediening, communicatie met het bovenliggende systeem om huidige, spanning, vermogen en energie signalen van het circuit door te geven, en gemakkelijke aanpassing van beschermingsinstellingen.
