Как выбрать микрокомпьютерное интегрированное защитное устройство и какова его функция в высоковольтном оборудовании?
1. Выбор и роль микрокомпьютерных интегрированных устройств защиты
1.1 Выбор микрокомпьютерных интегрированных устройств защиты
Чтобы обеспечить правильное и точное выполнение релейной защиты микрокомпьютерными интегрированными устройствами, при проектировании следует всесторонне учитывать надежность, время отклика, обслуживание и ввод в эксплуатацию, а также дополнительные функции.
Сигналы на вход микрокомпьютерных интегрированных устройств защиты поступают так же, как и в традиционной релейной защите: сигналы напряжения и тока подаются с помощью потенциальных (PT) и токовых (CT) трансформаторов, преобразуются передатчиками в стандартные сигналы, необходимые для устройства защиты, фильтруются для удаления низших и высших гармоник и других помех, затем преобразуются из аналоговых в цифровые сигналы с помощью АЦП.
Процессор выполняет вычисления на основе цифровых входных данных, сравнивает результаты с предустановленными значениями, делает выводы и принимает решение о том, следует ли активировать тревогу или отключение. Для удовлетворения требований к надежности измерительные и защитные входные сигналы обрабатываются и выводятся независимыми процессорными блоками внутри устройства. Это обеспечивает точность измерений и предоставляет достаточный запас прочности при серьезных отказах. Общая инженерная надежность считается удовлетворительной, если устройство не испытывает переполнения АЦП или насыщения при достижении тока отказа в 20 раз превышающего нормальное значение.
1.2 Выбор времени отклика
Общий рабочий процесс программного обеспечения устройства защиты обычно представлен на следующем рисунке:
Как видно из диаграммы, время отклика устройства защиты тесно связано с используемым программным обеспечением и методом вычисления электрических величин, что обычно неизвестно пользователям.
При проектировании и выборе мы можем судить о качестве устройства защиты только по трем показателям: точности вычислений, времени отклика и вычислительной нагрузке. Эти три фактора взаимно противоречивы: низкая точность вычислений и малая вычислительная нагрузка приводят к более быстрому времени отклика, тогда как высокая точность и большая вычислительная нагрузка приводят к более медленному времени отклика. Обычно для конечных пользователей энергосистемы установка вычислительной нагрузки больше трех, точности вычислений выше 0,2% и максимального времени отклика менее 30 мс достаточно, чтобы удовлетворить типичные инженерные требования к времени отклика.
1.3 Выбор других функций
Интегрированные устройства защиты содержат множество интегральных схем, что требует высокого уровня технической квалификации для их обслуживания. При выборе следует отдавать предпочтение устройствам с модульной и стандартизированной аппаратной частью, позволяющей решать аппаратные проблемы путем простой замены модулей, что повышает эффективность работы. Кроме того, устройство защиты должно иметь встроенный EPROM-модуль, который позволяет хранить все настройки в цифровом виде. Полевые специалисты могут легко восстановить эти настройки для ввода оборудования в эксплуатацию без повторного программирования.
Для интеграции с общей системой автоматизированного мониторинга проекта устройство защиты должно иметь коммуникационные возможности, позволяющие легко формировать сети через шины данных и передавать информацию после отключения в верхнюю систему автоматизированного мониторинга.
2. Связь между интегрированными устройствами защиты и системами автоматизации управления всего предприятия
На основе конфигурации и требований к коммуникациям системы автоматизации управления предприятием система автоматизации для микрокомпьютерных интегрированных устройств защиты обычно делится на три уровня: уровень распределительных устройств, уровень подстанции и центральный диспетчерский пункт.
2.1 Уровень распределительных устройств
Уровень распределительных устройств состоит из различных типов микрокомпьютерных интегрированных устройств защиты, которые непосредственно установлены на распределительных устройствах. Каждое устройство непосредственно обрабатывает измерительные, защитные сигналы и функции управления для своего соответствующего шкафа. Конкретные функции следующие:
(1) Входной шкаф
Защитные функции: моментный перегрузочный ток, перегрузочный ток с задержкой.
Измерительные функции: трехфазный ток, трехфазное напряжение, активная/реактивная мощность, активная/реактивная энергия.
Функции мониторинга: положение выключателя (открыт/закрыт).
Функции управления: ручное открытие/закрытие (на шкафу), дистанционное открытие/закрытие.
Функции оповещения: аварийное отключение, предупредительные сигналы, статус открытия/закрытия, отказ устройства, запись отказа и т.д.
(2) Шкаф трансформатора
Защитные функции: моментный перегрузочный ток, перегрузочный ток с задержкой, обратноточный перегрузочный ток, однофазное заземление, отключение при тяжелом газе.
Измерительные, мониторинговые и управляющие функции: такие же, как в входном шкафу.
Функции оповещения: аварийное отключение, легкий газ, температурная тревога, предупредительные сигналы, статус открытия/закрытия, отказ устройства, запись отказа и т.д.
(3) Шкаф сборных шин
Защитные, мониторинговые и управляющие функции: такие же, как в входном шкафу.
Функции оповещения: аварийное отключение, отказ устройства, запись отказа и т.д.
(4) Шкаф двигателя
Защитные функции: моментный перегрузочный ток, перегрузочный ток с задержкой, перегрузка, однофазное заземление, недостаточное напряжение, перегрев.
Измерительные функции: трехфазный ток, трехфазное напряжение, активная/реактивная мощность, активная/реактивная энергия.
Функции мониторинга: положение выключателя (открыт/закрыт).
Функции управления: ручное открытие/закрытие (на шкафу), дистанционное открытие/закрытие.
Функции оповещения: аварийное отключение, предупредительные сигналы, статус открытия/закрытия, отказ устройства, запись отказа и т.д.
После сбора данных в соответствующих распределительных устройствах, устройства защиты передают данные через шину на компьютер мониторинга на уровне подстанции. Эта система значительно уменьшает количество кабелей управления, сокращает время ввода в эксплуатацию на месте и повышает производительность труда.
2.2 Уровень подстанции
Многие сигналы с подстанции необходимо передавать в центральный диспетчерский пункт через промышленную Ethernet предприятия, а команды управления из центрального диспетчерского пункта должны приниматься и передаваться устройствам защиты. Уровень подстанции обычно состоит из промышленных компьютеров, принтеров и мониторов. Его основные функции включают конфигурацию и управление устройствами защиты распределительных устройств, мониторинг работы системы, создание и управление базой данных подстанции, а также коммуникацию с центральным диспетчерским пунктом.
Из-за конфиденциальности производителей относительно программного обеспечения и методов вычисления электрических величин их устройств защиты, уровень подстанции также должен выполнять преобразование протоколов связи, чтобы облегчить передачу и прием сигналов между центральным диспетчерским пунктом и устройствами защиты.
2.3 Коммуникационная сеть
Коммуникация между распределительными устройствами и подстанцией может использовать шинную сеть MODbus, поддерживающую до 64 рабочих станций. Между коммуникационной сетью и устройствами используется оптическая изоляция, чтобы предотвратить внешние помехи. Коммуникация между подстанцией и центральным диспетчерским пунктом осуществляется через промышленную Ethernet с оптоволоконными средами, со скоростью передачи данных более 1 Мбит/с.
2.4 Программное обеспечение
Системное программное обеспечение может использовать популярные платформы с международными стандартными архитектурами, такие как Windows NT. Программные модули должны включать: главное 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 главное управляющее программное обеспечение должно иметь высокую степень модульности. Высокая модульность позволяет полевым специалистам вызывать программное обеспечение в зависимости от условий на месте без дополнительного программирования, что значительно уменьшает операционную и ремонтную нагрузку на диспетчеров и ремонтный персонал, а также повышает производительность труда.
3. Другие соображения
Кроме того, при выборе аппаратного обеспечения для микрокомпьютерных интегрированных устройств защиты следует обратить внимание на следующие вопросы:
Использование герметичного, усиленного корпуса, устойчивого к сильным вибрациям и помехам, с компактными размерами для установки, подходящими для суровых условий и монтажа на панели.
Использование промышленной двухпроцессорной структуры, где каждое устройство содержит главный CPU и CPU для связи. Два процессора работают в режиме взаимного контроля, что улучшает время отклика и точность, предотвращает ошибочные действия или отказы, а также повышает стабильность и надежность.
Автоматическая компенсация температуры в полном диапазоне позволяет устройству длительное время работать в условиях от -20°C до +60°C.
Измерительные и защитные сигналы обрабатываются отдельно внутри устройства, удовлетворяя как требованиям точности, так и требованиям к диапазону и надежности защиты.
Использование специализированного частотного сэмплирующего контура для точного отслеживания частоты сети, что делает вычисления электрических величин более точными.
Использование оптической изоляции для цифровых входов/выходов и экранированных кабелей для внутренней проводки шкафа, что эффективно предотвращает внешние помехи и повышает устойчивость устройства к помехам.
Использование большого жидкокристаллического дисплея и мягкой клавиатуры для более четкого отображения числовых значений и удобства управления.
После ввода в эксплуатацию и начала работы различные защитные настройки хранятся в цифровом виде в EPROM, что позволяет немедленно восстановить их после ввода в эксплуатацию или ремонта цепи.
Оснащение полностью функциональной цепью управления выключателем, подходящей для управления различными типами выключателей, что облегчает модернизацию подстанций.
Наличие комплексных возможностей анализа аварий, включая записи событий действий защиты, записи превышения пределов сигналов электрических величин и записи отказов.
4. Роль микрокомпьютерных интегрированных устройств защиты в высоковольтных распределительных устройствах
Микрокомпьютерные устройства защиты защищают от аномальных условий в цепях. Их роль в высоковольтных распределительных устройствах включает:
Микрокомпьютерные устройства защиты обладают мощными возможностями обработки данных, логических вычислений и хранения информации, имеют продвинутые внутренние архитектуры. Они предлагают полный набор защитных функций, эквивалентных традиционной релейной защите. Принимая сигналы от измерительных компонентов, таких как токовые и напряженческие трансформаторы, устройство может контролировать, управлять и защищать состояние цепи, такое как защита от короткого замыкания, перегрузки и однофазного заземления.
Без устройств защиты высоковольтные распределительные устройства используют реле для достижения этих защитных функций. Современные микрокомпьютерные устройства защиты предоставляют улучшенные функции, такие как легкое дистанционное управление, связь с верхними системами для передачи данных о токе, напряжении, мощности и энергии, а также удобная настройка защитных параметров.
