Какую роль играет микропроцессорное интегрированное устройство защиты в высоковольтном коммутационном оборудовании и как его выбрать

Роль и выбор микропроцессорных интегрированных устройств защиты в высоковольтном коммутационном оборудовании

В последние годы применение микропроцессорных интегрированных устройств защиты в проектах средневольтных и высоковольтных систем распределения электроэнергии значительно возросло. Эти устройства удобны в использовании и преодолевают недостатки традиционной релейной защиты, такие как сложная проводка, низкая надежность и громоздкие процедуры настройки и отладки. Микропроцессорные интегрированные устройства защиты обладают полными функциями самодиагностики, что делает обнаружение и ввод в эксплуатацию очень удобными.

При обнаружении аномалий центральный процессор (CPU) командует генератору сигналов выдавать соответствующие звуковые и световые сигналы тревоги. Кроме того, легко реализуются различные вспомогательные функции, такие как печать информации о неисправностях и запись времени срабатывания защиты после события. Множество производителей выпускают эти устройства, каждый предлагает продукты с различными функциональными возможностями и аппаратными конфигурациями, что делает выбор наиболее подходящего интегрированного устройства защиты сложным.

I. Выбор микропроцессорных интегрированных устройств защиты

Чтобы обеспечить правильное и точное выполнение микропроцессорными интегрированными устройствами защиты своих задач по релейной защите, при выборе на этапе проектирования следует учитывать комплексную оценку надежности, времени реакции, легкости обслуживания и ввода в эксплуатацию, а также дополнительных функций.

1.1 Надежность микропроцессорных интегрированных устройств защиты

Сигналы входа для микропроцессорных интегрированных устройств защиты такие же, как и для традиционной релейной защиты: напряжение и ток вводятся из напряжностных и токоизмерительных трансформаторов (VTs и CTs), преобразуются трансдьюсерами в стандартные сигналы, необходимые устройству защиты, и фильтруются для удаления низко- и высокочастотных гармоник и других помех. Аналогово-цифровые (A/D) преобразователи затем преобразуют аналоговые сигналы в цифровые. CPU выполняет вычисления на основе цифрового входа, сравнивает их с предустановленными значениями, принимает решения и определяет, нужно ли срабатывать тревоге или отключению.

Для удовлетворения требований надежности сигналы измерений и защиты обрабатываются и выводятся независимыми процессорными блоками внутри устройства. Это обеспечивает высокую точность измерений и предоставляет достаточный запас прочности при серьезных отказах. Устройство не должно испытывать переполнение A/D или насыщение, когда величина сигнала отказа достигает 20 раз нормального значения, что обычно удовлетворяет требованиям надежности для типичных инженерных применений.

1.2 Время реакции микропроцессорных интегрированных устройств защиты

При проектировании и выборе качество устройства защиты можно судить только по трем показателям: точности вычислений, времени реакции и вычислительной нагрузке. Эти три фактора взаимно противоречивы: меньшая точность вычислений и меньшая вычислительная нагрузка приводят к более быстрому времени реакции, тогда как большая точность и большая нагрузка приводят к более медленному времени реакции. Обычно, для конечных пользователей электросети, вычислительная нагрузка должна быть больше 3 раз, точность вычислений выше 0,2%, а максимальное время реакции меньше 30 мс, чтобы удовлетворять типичным инженерным требованиям по времени реакции.

1.3 Выбор других функций микропроцессорных интегрированных устройств защиты

Интегрированные устройства защиты содержат множество интегральных схем, требующих высокой технической квалификации для обслуживания. При выборе предпочтение следует отдавать устройствам с модульной и универсальной аппаратурой, что позволяет решать аппаратные неисправности простой заменой модулей, тем самым повышая эффективность работы.

Кроме того, устройство защиты должно иметь встроенный EPROM-модуль, позволяющий хранить все установочные значения в цифровом виде. Персонал на месте может легко вызвать эти настройки для ввода оборудования в эксплуатацию без необходимости перезаписи данных. Для интеграции с автоматизированной системой мониторинга всего проекта устройство защиты должно иметь коммуникационные возможности, что позволяет легко формировать сети через шины данных и передавать информацию о действиях в верхнюю автоматизированную систему мониторинга.

2. Связь между интегрированными устройствами защиты и заводской системой автоматического управления

На основе конфигурации и требований к связи заводской системы автоматического управления система автоматизации для микропроцессорных интегрированных устройств защиты обычно делится на три уровня: уровень коммутационного оборудования, уровень подстанции и центральная диспетчерская.

2.1 Уровень коммутационного оборудования

Уровень коммутационного оборудования состоит из различных типов микропроцессорных интегрированных устройств защиты, которые непосредственно установлены на коммутационном оборудовании. Каждое устройство непосредственно обрабатывает измерительные, защитные сигналы и функции управления для своего шкафа. Конкретные функции следующие:

(1) Входной шкаф

• Функции защиты: мгновенное отключение при перегрузке, отключение с задержкой при перегрузке.

• Функции измерения: трехфазный ток, трехфазное напряжение, активная и реактивная мощность, активная и реактивная энергия.

• Функции мониторинга: положение выключателя (открыт/закрыт).

• Функции управления: ручное открытие/закрытие (на шкафу), дистанционное управление открытием/закрытием.

• Функции тревоги: отключение при отказе, предупредительные сигналы, открытие/закрытие, отказ устройства, запись отказа и т.д.

(2) Шкаф трансформатора

• Функции защиты: мгновенное отключение при перегрузке, отключение с задержкой при перегрузке, обратное время перегрузки, однофазное замыкание на землю, отключение при сильном газе.

• Функции измерения, мониторинга и управления: такие же, как в входном шкафу.

• Функции тревоги: отключение при отказе, легкий газ, тревога по температуре, предупредительные сигналы, открытие/закрытие, отказ устройства, запись отказа и т.д.

(3) Шкаф сборных шин

• Функции защиты, мониторинга и управления: такие же, как в входном шкафу.

• Функции тревоги: отключение при отказе, отказ устройства, запись отказа и т.д.

(4) Шкаф двигателя

• Функции защиты: мгновенное отключение при перегрузке, отключение с задержкой при перегрузке, перегрузка, однофазное замыкание на землю, низкое напряжение, перегрев.

• Функции измерения: трехфазный ток, трехфазное напряжение, активная и реактивная мощность, активная и реактивная энергия.

• Функции мониторинга: положение выключателя (открыт/закрыт).

• Функции управления: ручное открытие/закрытие (на шкафу), дистанционное управление открытием/закрытием.

• Функции тревоги: отключение при отказе, предупредительные сигналы, открытие/закрытие, отказ устройства, запись отказа и т.д.

После сбора данных в своем коммутационном оборудовании устройства защиты передают данные через шину на компьютер мониторинга на уровне подстанции. Эта система значительно сокращает количество кабелей управления, уменьшает время настройки на месте и повышает эффективность работы.

2.2 Уровень подстанции

Многие сигналы с подстанции необходимо передавать в центральную диспетчерскую через промышленный Ethernet завода, а подстанция получает сигналы из центральной диспетчерской для выдачи команд управления устройствам защиты. Уровень подстанции обычно состоит из промышленных компьютеров, принтеров и мониторов. Его основные функции включают настройку и управление интегрированными устройствами защиты коммутационного оборудования, мониторинг работы системы, создание и управление базой данных подстанции, а также связь с центральной диспетчерской.

Так как производители сохраняют программное обеспечение и методы электрических расчетов устройств защиты в секрете, уровень подстанции также должен обрабатывать преобразование протоколов связи, чтобы облегчить передачу и прием сигналов между центральной диспетчерской и устройствами защиты.

2.3 Коммуникационная сеть

Связь между коммутационным оборудованием и подстанцией может осуществляться с помощью шины MODbus, поддерживающей до 64 рабочих станций. Между коммуникационной сетью и устройствами используется оптическая изоляция, чтобы предотвратить внешние помехи. Связь между подстанцией и центральной диспетчерской осуществляется через промышленный Ethernet с оптоволоконным носителем, скорость связи превышает 1 Мбит/с.

2.4 Программное обеспечение

Системное программное обеспечение может использовать основные платформы с международными стандартными архитектурами, такие как Windows NT. Программные модули должны включать: основное управляющее программное обеспечение, графическое программное обеспечение, программное обеспечение для управления базами данных, программное обеспечение для создания отчетов и программное обеспечение для связи.

При выборе программного обеспечения основное управляющее программное обеспечение должно иметь высокую степень модульности. Высокая модульность позволяет персоналу на месте легко вызывать программное обеспечение в зависимости от условий на месте без дополнительного программирования, что значительно снижает объем операционной и ремонтной работы для диспетчеров и технического персонала и повышает эффективность работы.

3. Вопросы, на которые следует обратить внимание при выборе аппаратного обеспечения для микропроцессорных интегрированных устройств защиты

Кроме того, при выборе аппаратного обеспечения для микропроцессорных интегрированных устройств защиты следует обратить внимание на следующие вопросы:

• Использовать герметичный, усиленный корпус, устойчивый к сильным вибрациям и помехам, с компактными размерами, подходящими для суровых условий и монтажа в шкафу.

• Применять промышленную двойную структуру CPU, где каждое устройство содержит главный CPU и CPU для связи. Два CPU работают в режиме взаимной проверки, что улучшает время реакции и точность устройства, предотвращает неправильное срабатывание или отказ, повышает стабильность и надежность.

• Автоматическая компенсация температуры в полном диапазоне позволяет устройству длительное время работать в условиях от -20°C до +60°C.

• Сигналы измерения и защиты обрабатываются отдельно внутри устройства, что удовлетворяет требованиям точности, диапазона защиты и надежности.

• Использовать специализированный частотный сэмплирующий контур для точного отслеживания частоты сети, что делает расчеты электрических величин более точными.

• Использовать оптическую изоляцию для цифровых входных и выходных сигналов, а также экранированные кабели для внутренней проводки шкафа, что эффективно предотвращает внешние помехи и улучшает антиинтерферентные способности устройства.

• Использовать большой экран LCD и мягкие клавиши для более четкого отображения числовых значений и более удобного управления.

• После настройки и ввода в эксплуатацию установочные значения различных режимов защиты хранятся в цифровом виде в EPROM, что позволяет легко восстанавливать их после отладки или ремонта цепи.

• Включать полноценную цепь управления выключателя, подходящую для управления различными типами выключателей, что облегчает модернизацию подстанции.

• Обладать полными аналитическими возможностями, включая записи событий срабатывания защиты, записи превышения пределов сигналов электрических величин и запись отказов.

4. Роль микропроцессорных интегрированных устройств защиты в высоковольтном коммутационном оборудовании

Микропроцессорные устройства защиты защищают цепи от аномальных состояний. Их роль в высоковольтном коммутационном оборудовании следующая:

Микропроцессорные устройства защиты обладают мощными возможностями обработки данных, логических операций и хранения информации, имеют продвинутую внутреннюю архитектуру. Они предлагают полный набор функций защиты, как у традиционной релейной защиты. Получая сигналы от измерительных компонентов, таких как токоизмерительные и напряжностные трансформаторы, устройство может контролировать, управлять и защищать состояние цепи. Это включает защиту от коротких замыканий, перегрузок, однофазных замыканий на землю и т.д. Без устройства защиты эти функции в высоковольтном коммутационном оборудовании реализуются с помощью реле. С микропроцессорной защитой доступны дополнительные функции, такие как легкое принятие дистанционного управления, связь с верхним уровнем системы для передачи текущих, напряжений, мощностей и энергий, а также удобная настройка параметров защиты.