АНАЛИЗ СТАТИСТИКИ ОТКАЗОВ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 68.52 Алиев М.М., Сидоров А.В., Хакимов Р.Х.

Алиев М.М.

курсант филиала Военная академия РВСН им. Петра Великого (г. Серпухов, Россия)

Сидоров А.В.

курсант филиала Военная академия РВСН им. Петра Великого (г. Серпухов, Россия)

Хакимов Р.Х.

курсант филиала Военная академия РВСН им. Петра Великого (г. Серпухов, Россия)

АНАЛИЗ СТАТИСТИКИ ОТКАЗОВ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Аннотация: в данной статье рассмотрен актуальный вопрос повышения надежности релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем за счет совместной работы и резервирования электромеханических и микропроцессорных защит.

Ключевые слова: релейная защита, микропроцессоры, статистика отказов.

Значимость вопроса о защите линий электропередач и электроэнергетического оборудования берет свое начало со времен осуществления первой в мире передачи электроэнергии на большие расстояния Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. Модель электропередачи включала в себя: трехфазный генератор, повышающий напряжение

трансформатор, линия электропередачи, понижающий трансформатор и 3-х фазный электродвигатель. Для одобрения проведения испытаний власти требовали доказательств безопасности данного эксперимента. После подачи напряжения, был искусственно оборван провод, упавший на железнодорожные пути. Сразу же после касания проводом рельса, Михаил Осипович дотронулся до рельса оголеной рукой, на глазах многочисленных официальных представителей, демонстрируя тем самым надежность системы релейной защиты [1]. Вместе с развитием и усложнением энергосистем совершенствуется и релейная защита, усложняются алгоритмы ее работы, активно внедряются новые технологии и материалы при изготовлении устройств защиты. Основными типами применяемых защит в настоящее время являются микропроцессорные и электромеханические релейные защиты. В настоящее время все активнее внедряются современные микропроцессорные устройства РЗиА. Несмотря на все достоинства микропроцессорных защит, существует немало споров, подвергающих сомнению повсеместный переход на микропроцессорные устройства и отказ от электромеханических реле. Проанализировав данные статистик [2] за 2013-2014 гг., установлено, что количество микропроцессорных и микроэлектронных устройств РЗА растет, постепенно вытесняя электромеханические устройства. К сожалению, наметившаяся тенденция отдачи предпочтений микропроцессорным устройствам РЗиА не обуславливает повышения надежности релейной защиты в целом. Процент неправильных действий микропроцессорных устройств составляет 1,4%, а электромеханических реле - 0,5% [5]. Становится актуальным вопрос повышения надежности защит. Целью исследования является оценка эффективности повышения надежности резервирования микропроцессорных устройств РЗиА и электромеханических реле. Для достижения указанной цели нужно исследовать данные статистики отказов микропроцессорной и электромеханической релейных защит. Надежность защиты - это способность выполнения защитой требуемой функции в заданных условиях в течение заданного интервала времени. Результатом действия релейной защиты является

ее срабатывание во всех необходимых случаях (надежность срабатывания), и несрабатывание в случаях, когда действие защиты не требуется (надежность несрабатывания). [4]. Сложность состоит в том, что улучшение показателей надежности одного вида отрицательно влияет на показатели надежности другого вида. Согласно пункту 4 «Показатели работы устройств РЗА» РД 34.35.516-89 «Инструкция по учету и оценке работы релейной защиты и автоматики электрической части энергосистем» основным показателем для оценки работы РЗА принимается процент правильной работы. Данный показатель рассчитывается по следующей формуле:

где:

ппс - число правильных срабатываний, пис - число излишних срабатываний, плс - число ложных срабатываний, пос - число отказов срабатываний.

Сумма ппс + пос составляет число требований срабатывания [6]. Но пользуясь данной методикой нельзя корректно оценить надежность РЗ. Данный метод оценки релейной защиты оперирует абсолютными, а не нормализованным показателями. Расчет по нормализованным показателям приведен ниже:

Мг + Мв. + Мр.

=-^-- X 100%

где:

Мз - отказы реле, не связанные с неправильными действиями РЗ, но требующие ремонта или замены вышедших из строя элементов, блоков и модулей,

Мв] - неправильные действия релейной защиты, т.е. излишние срабатывания при отсутствии аварийного режима или несрабатывания при аварийном режиме, не связанные с ошибками персонала,

МП - ошибки персонала, связанные с эксплуатацией, тестированием и программированием реле, влияющие на правильность действия релейной защиты, выявленные до наступления неправильного действия защиты или после него [7].

Согласно [2] на 2013-2014 гг. в эксплуатации находится около 1,7 млн. устройств релейной защиты. Подробные данные в таблице 1 ниже.

Таблица 1.

Тип УРЗА/год 2013 г (шт) 2014 г (шт) 2013 г (шт) 2014 г (шт)

Электромеханические устройства (ЭМ) 1 346 857 1 344 437 79,69% 77,45%

Микроэлектронные устройства (МЭ) 69 213 71 497 4,10% 4,12%

Микропроцессорные устройства (МП) 274 062 319.913 16,22 % 18.54

ВСЕГО 1 690 132 1 735 828 100% 100%

Электромеханические устройства составляют основную часть от всех устройств РЗиА 77,45%. Но они постепенно вытесняются перспективной микропроцессорной техникой. Ниже в табл. 2 [2] представлена статистика работы устройств РЗА.

Таблица 2.

Год 2013 г. 2014 г.

Случаи работы «правильно» 366748 534545

Случаи работы «неправильно» Всего 1653 1399

«ложно» 947 427

«излишне» 387 474

«отказы» 319 798

Правильное срабатывание, % Всего 99,5% 99,7%

Согласно данным, удалось улучшить один из показателей надежности -ложные срабатывания. Но в тоже время увеличились показатели излишних сработок и отказов срабатывания устройств релейной защиты. Возможно, это связано с увеличением доли микропроцессорных устройств (с 16,22% до 18,43%) и уменьшения электромеханических (с 79,69% до 77,45%). Для повышения надежности релейной защиты можно использовать резервирование устройств путем включения на параллельную работу электромеханическую и микропроцессорную защиты. Для использования всех возможностей характеристик микропроцессорных устройств, следует установить задержку на срабатывание электромеханической защиты [3]. Предлагаемые решения должны повысить надежность систем, не приводя к их удорожанию.

Показатели качества RS-485.

Интерфейс RS-485 - широко распространенный интерфейс связи в промышленности и энергетике в частности, что обуславливается его гибкостью, простотой программирования и сравнительно высокой скоростью передачи данных (до 10 Мбит/с). Традиционная архитектура ССПИ на основе данного интерфейса показана на рисунке 1.

Рисунок1. Архитектура подстанционной сети на базе RS-485: 1 - шкафы полевого уровня, 2 - модули входных, выходных дискретных сигналов, аналоговых унифицированных сигналов, 3 - медиаконвертер RS-485/FO, 4 -шкаф коммуникационного уровня, 5 - GPS - модуль синхронизации, 6 - Ethernet-коммутатор, 7 - LAN - протокол DNP3, 8 - АРМ, 9 - Протокол МЭК60870-5-104/5-101, 10 - Диспетчерский центр, FO - ВОЛС.

Существуют факторы, ограничивающие при определенных условиях возможности данного интерфейса:

- длина кабеля,

- конструкция кабеля,

- импеданс кабеля - емкость и индуктивность сглаживают форму импульсов, что повышает вероятность возникновения ошибки, при передаче данных,

- запас помехоустойчивости,

- скорость нарастания входного напряжения драйвера,

- согласование оконечной нагрузки - хорошее согласование сводит отражения сигнала к минимуму, повышая качество обмена информации в целом.

Рассмотрим основные показатели качества интерфейса Я8-485: 1) Максимальное время обхода пакета по основному пути Т тах определяется по следующему выражению [7]:

_ + 2) -3 I*2

Ттах — (^пак + ^зад + ^пути) * ^к — ( 106 + 10 + 3 * Ю8

где:

Тпак - время отправки пакета, с,

Тзад - время задержки на входных регистрах, (1 мс),

Тпути - время доставки сообщения по витой паре, с,

Ыр+2 - размер пакета сообщения, байт,

Ыи - число узлов в кольце, м,

I - среднее расстояние между узлами, м.

8 + 2 , 3 * 2 Ттах — (^ + Ю-3 + * 5 — 0,005с

Как видно из расчетов, полная задержка зависит, в основном, от быстродействия входных регистров, накладывающих основные ограничения на использование интерфейса Я8-485 в современных ССПИ. Данная задержка является приемлемой для доставки управляющих сигналов и сигналов автоматизированного опроса микропроцессорных реле.

Однако для каналов связи ПА и для критичных сообщений между микропроцессорными реле данный порог не должен превышать 5-10 мс [8].

2) Джиггер и ВЕК В качестве примера рассмотрим исследование показателей максимальной производительности системы связи на основе интерфейса ЯБ-485. Для испытания использовалась витая пара 5 категории, передача велась на скорости от 1 до 39 Мбит/секунд при длине кабеля от 90 до 270 метров. По результатам испытаний, приведенных в работе [9] при

исследовании показателей интерфейса RS-485, сети RS-485 способны обеспечивать скорость обмена данными до 52 Мбит/c при длинах кабеля, достигающих сотни метров без ретрансляторов или преобразователей интерфейсов.

Несмотря на все достоинства интерфейса RS-485, требования к каналам и интерфейсам связи в энергетике с каждым годом все выше. Данная тенденция связана с постоянным увеличением нагрузки и усложнением схем электрических сетей, появлением множества относительно маломощной генерации в различных точках сети. Также наблюдается тенденция к появлению новых протоколов связи (например, протоколы в рамках международного стандарта МЭК 61850), ведущих к усложнению микропроцессорных реле, совершенствованию алгоритмов защиты и введению новых функций. Ко всему прочему, заметен интерес к повышению «прозрачности» и управляемости электроэнергетических объектов, что невозможно осуществить при использовании устоявшихся технологий, в первую очередь, из-за ограниченной пропускной способности и уязвимости их к имеющим место быть на объектах электроэнергетики электростатическим разрядам.

При сложившейся ситуации актуальным является внедрение новых решений, позволяющих осуществлять надежный высокоскоростной обмен пакетами данных на энергообъектах различных классов напряжения.

Показатели качества Ethernet.

Применение технологии сетей Ethernet на объектах энергетики для контроля и мониторинга режимов в реальном времени стало возможным благодаря разработке ведущими производителями сетевого оборудования, способного работать в условиях жесткой электромагнитной обстановки, и стандартов, описывающих правила взаимодействия элементов коммуникационных сетей. Коммуникационный протокол Industrial Ethernet (IE) был адаптирован под особенности устройств контроля, таких как RTU, микропроцессорное реле, устройства систем автоматизации энергообъектов.

Внутриподстанционная сеть на основе Ethernet показана на рисунке 2.

Технология Industrial Ethernet была выбрана для реализации стандарта МЭК 61850 в энергетике. Одной из особенностей МЭК 61850 является организация так называемой внутристанционной шины техпроцесса, объединяющей полевые устройства, цифровые измерительные преобразователи с микропроцессорными реле, устройствами противоаварийной автоматики и системами автоматизации на подстанции, представляющие собой по терминологии стандарта □ интеллектуальные электронные устройства (IED) (рисунок 3).

Рисунок 2. Внутриобъектная ССПИ на базе Ethernet: 1 - Relay, 2 - RTU, 3 - IED, 4 - МЭК 61850, 5 - Не МЭК 61850, 6 - RS 232/422/485 - Ethernet медиа конвертертер, 7 - коммуникационный шлюз, 8 - терминальный сервер, 9 -маршрутизатор второго уровня, 10 - маршрутизатор третьего уровня, 11 - АРМ, 12 - Scada HMI.

Рисунок 3. Модель подстанции в соответствии с МЭК61850: 1 -реле, 2 -сервер удаленного доступа, 3 - внешняя сеть, 4 - блок синхронизации, 5 -интеллектуальное электронное устройство, PT - силовой трансформатор, Optical CT - оптический трансформатор тока, CT - традиционный трансформатор тока.

Рассмотрим показатели качества каналов связи на основе Ethernet для наиболее требовательной к надежности, пропускной способности и гарантированности доставки данных коммуникационной системы МЭК 61850:

1) Максимальное время обхода кольца по основному пути max T определяется по следующему выражению [7]:

/ л 8 * Np _6 I * nov

Т-тах = (^пак + ^зад + ^пути) * ^к = ( ^Q8 + 10 + 3 *

где:

Тпак - время отправки пакета, с,

Тзад - время задержки в мультиплексоре (5 мкс),

Тпути - время доставки сообщения по оптоволокну, с,

Np - размер пакета сообщения, (байт),

Nk - число узлов в кольце,

l - полученные среднее расстояние между узлами, м, nov - показатель преломления оптоволокна (1,45-1,55).

Стандартная длина пакетов GOOSE составляет 1500 байт, для пакетов Sample Value (SV, IEC 61850-9-2 (LE)) - 163 байт, число узлов в кольце не превышает 3 метра, среднее расстояние между узлами l в пределах подстанции составляет 5 метров.

Тогда для передачи пакетов SV максимальное время составит max T = 56 мкс, для GOOSE сообщений: max T = 377 мкс. Полученные значения являются приемлемыми в плане быстродействия оперативной реакции при авариях, что, согласно требованиям стандарта МЭК-61850, не должно превышать 4 мс [8].

2) Согласно данным лаборатории университета Нью Хэмпшира [11], оборудование Ethernet стандартов IE802.3 демонстрирует функциональные характеристики и допускает наличие ошибок в пакетах, утвержденных при их разработке, с точностью 95%. В частности, показатель качества BER и, соответственно, количество неправильно переданных фреймов во многом зависит от конкретного оборудования, конфигурации сети, защищенности каналов связи и внешних условий и лежит в пределах 10-8 - 10-12. Тем не менее, механизм прямой коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction), реализованный в том или ином виде, позволяет свести и без того их малое число до нуля, снижая, однако, общую пропускную способность сети. Согласно стандарту МЭК 61850 [3], механизм доставки GOOSE-сообщений представляет собой передачу информации в широковещательном диапазоне, а получение адресатом сообщения при этом отсутствует, поэтому GOOSE-сообщения передаются с особой периодичностью в установившемся режиме. Передача пакетов SV осуществляется схожим образом: при потере какого-либо из пакетов данные не передаются повторно, а восстанавливаются уже у адресата благодаря алгоритму восстановления потерянных данных с помощью линейной интерполяции [3]. Данные принципы доставки позволяют снизить область

использования FEC-механизма, повышая при этом потенциальную пропускную способность сети.

Нарушение работы медных каналов связи в условиях электромагнитной обстановки на подстанциях из-за наводок при попадании молнии в ОРУ или рядом с подстанцией, согласно многочисленным данным статистики [6], приводит к ложным срабатываниям устройств релейной защиты, неправильным показаниям и также нередко - к необходимости замены дорогостоящего вторичного оборудования. В связи с чем имеется тенденция использования оптических медиаконвертеров, повышающих сложность и стоимость ССПИ в целом не только по части оборудования, но и при пуско-наладке, и дальнейшем обслуживании системы.

Обеспечение надежной высокоскоростной связи внутри подстанции на основе Ethernet на сегодняшний день является решенной задачей, однако создание полноценной сети со всеми мерами безопасности, резервированием и качеством передаваемых данных представляет собой очень дорогое мероприятие, в частности из-за высокой цены промышленных коммутаторов, маршрутизаторов и шлюзов.

Показатели качества GPON.

В настоящее время, в связи с появлением и распространением в телекоммуникационной сфере более дешевых решений на основе технологий xPON (Passive Optical Network, PON), построение сетей с волоконно-оптическими линиями связи становится сравнительно доступнее. В частности, одним из наиболее успешных в данной сфере является стандарт GPON (Gigabit PON). Ключевыми особенностями GPON является использование только одного приемо-передающего устройства (Optical Linear Terminal) для приема и передачи информации множеству принимающих устройств (Optical Network Unit или Optical Network Terminal). При этом, в отличие от традиционных сетей, построенных на оптоволокне, нет необходимости в установке активных устройств в узлах сети, вместо них от основного кабеля делаются ответвления с

помощью оптических сплиттеров, в связи с чем топология сети представляет собой «дерево с пассивными узлами».

Ключевыми аспектами данной технологии, позволяющими внедрить ее на объекты электроэнергетики, являются:

- возможность установки модульных компактных трансиверов в формате

стандарта SFP (Small Form-factor Pluggable) в микропроцессорные реле

или в контроллеры присоединений (bay-controller) SCADA для организации каналов связи ССПИ,

- компактность сплиттеров позволяет их разместить в ограниченных пространствах, вплоть до отсеков РЗА в ячейках среднего напряжения,

- форматонезависимость передаваемых кадров,

- маршрутизация пакетов реализована в самих приемо-передающих устройствах, благодаря механизму управления данными GTC,

- стандарт GPON поддерживает следующие скорости: нисходящий трафик (от OLT) транслируется на скорости 1,25 - 2,5 Гбод, восходящий от (ONT) - на скоростях 0,155-1,25 Гбод.

На рисунке 4 показана архитектура внутриподстанционной ССПИ на основе технологии GPON. В качестве устройства присоединения выступает измерительный многофункциональный контроллер ЭНИП-2, поскольку он представляется нам оптимальным вариантом по технико-экономическим показателям [14].

Далее рассмотрим показатели качества каналов связи внутриобъектной сети на основе технологии GPON.

Задержка доставки сообщений.

Время доставки GTC-кадров в нисходящем направлении max T, мкс, определяется по формуле:

Ттах = (ТПак + ?3ад + ?Пути) = (l25 * 10-9 + (25,7 + 70,7)-9 + ^^ïï) = 125

где:

Тпак - время отправки пакета стандартной длины 38880 байт (с), равное 125 мкс,

Тзад - сторожевой интервал, формируемый из следующих значений: Tiazer - время переключения лазера (25,7 нс) и Tpad - время обработки преабулы (70,7 нс),

Тпути - время доставки сообщения по оптоволокну, с, l - расстояние до самого дальнего приемника, м. nov - показатель преломления оптоволокна (1,5).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Из истории электротехники. - Москва: Электричество, 1962;

2. Приложение №1 к протоколу Правления ОАО «Россети» от 22.06.2015 № 356 пр. Концепция развития релейной защиты и автоматики электросетевого комплекса. - Москва, 2015. - 49 с;

3. Гуревич В.И. Электромеханические и микропроцессорные релейные защиты. Возможен ли симбиоз? - 2013. - 3 с;

4. Надежность-релейная защита [Электронный ресурс]. - URL: http://www.ngpedia.ru/id170002p1.html;

5. Шалин А.И. Микропроцессорные реле защиты: необходим анализ эффективности и надежности // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 2 (38);

6. РД 34.35.516-89 «Инструкция по учету и оценке работы релейной защиты и автоматики электрической части энергосистем»;

7. Гуревич В.И. Проблемы оценки надежности релейной защиты // Электричество. 2011. № 2. С. 28-31

Aliev M.M., Sidorov A. V., Khakimov R.Kh.

Aliev M.M.

Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great (Serpukhov, Russia)

Sidorov A.V.

Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great (Serpukhov, Russia)

Khakimov R.Kh.

Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great (Serpukhov, Russia)

FAILURE STATISTICS ANALYSIS MICROPROCESSOR AND ELECTROMECHANICAL RELAY PROTECTION DEVICES

Abstract: this article discusses the topical issue of increasing the reliability of relay protection and automation of electric power systems through teamwork and redundancy of electromechanical and microprocessor protection.

Keywords: relay protection, microprocessors, failure statistics.