CC BY
4УДК 620.9
Оводов И.Ю.
Самарский государственный технический университет (г. Самара, Россия)
ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ И ВНЕДРЕНИЯ МОДУЛЬНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Аннотация: бурное внедрение микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики (УРЗА) привело к неоправданному разнообразию таких устройств, выпускаемых производителями в различных форм-факторах и зачастую несовместимых между собой. Развитие модульной системы построения УРЗА позволит сократить влияние «человеческого фактора», а также повысить надежность объектов электроэнергетики за счет оперативной замены модулей.
Ключевые слова: микропроцессор, релейная защита, модульное исполнение, модуль.
1. Введение.
Устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики (УРЗА) реализуют автоматическую ликвидацию аварийных и ненормальных режимов, связанных как с повреждением оборудования, так и со схемно-режимными ситуациями, возникающими в электрической части энергосистем, и являются наиважнейшей структурной частью оборудования, обеспечивающей их надежную и устойчивую работу [1].
За последние три десятилетия отмечен значительный рост нагрузок, увеличение протяжённости линий электропередачи, ужесточение требований к устойчивости работы энергосистем, которые усложняют условия работы релейной защиты. Ввиду этих обстоятельств возросли и требования к эффективности её функционирования. По этой причине всеми мировыми производителями УРЗА был отлажен и запущен процесс развития техники
релейной защиты, направленный на создание своей продукции, отвечающей более перспективными характеристиками, способной удовлетворить требования современной электроэнергетики. За истекшие два десятилетия отмечался качественный рывок в поставках оборудования УРЗА на вновь вводимые и реконструированные объекты электроэнергетики. При этом основным и неотъемлемым требованием к новым УРЗА стало использование программных средств, построенных на архитектуре микропроцессорных систем, интегрированных в АСУ ТП [2].
К основным преимуществам УРЗА, построенных на микропроцессорных системах, относят:
наиболее высокие характеристики быстродействия, чувствительности и надежности по сравнению с аналогичными устройствами релейной защиты, выполненными на базе реле электромеханического типа,
наличие множества сервисных функций, таких как самодиагностика, регистрация и осциллография сигналов и т.д.
Основными недостатками микропроцессорных УРЗА являются: высокая стоимость,
неремонтопригодность (в случае выхода из строя блока управления, экономически целесообразно заменить его целиком),
невозможность расширения функционала устройства, в том числе и отдельных его элементов,
отсутствие единого стандарта на выпускаемую аппаратуру (УРЗА различных разработчиков как отечественных, так и зарубежных не являются взаимозаменяемыми).
2. Современные проблемы УРЗА.
В современных геополитических реалиях приоритетным направлением остается разработка, создание и внедрение отечественной микропроцессорной аппаратуры УРЗА с уникальным программным обеспечением, обеспечивающим независимость от программных продуктов зарубежных фирм и адаптированным
под условия работы с оборудованием, выпускаемым отечественными производителями [5].
Цифровизация аппаратуры РЗА практически не привела и не поспособствовала разработке новых принципов построения систем защиты электроустановок. Современный вектор развития УРЗА направлен в сторону усложнения и расширения функционала защитных устройств. В процессе проектирования электрической сети напряжением 110 кВ и выше возникают проблемы, связанные с необходимостью повышения надежности, за счёт дублирования или использования двух защит, выполняемых на разных принципах срабатывания (высокочастотные и токовые). Так, для обеспечения защиты линии электропередачи от всех видов повреждений желательно иметь основные и резервные защиты. В качестве основных защит применяют дифференциально-фазную или продольную дифференциальную защиты. Комплекты ступенчатых защит, применяют в качестве резервных.
В данный момент производителями микропроцессорных УРЗА представлено множество моделей, доля производителя представлена на рисунке 1.
■ООО НПП'ЭКРА"
■ 5€МЬ«5
■ ООО "АБ& Автсхумтпмци.»"
■ БеЛгс
■ ООО *Рм*идгнкГ
■ (авиета! Е(«№с
■ АО 'РАДИУС Авкзматна"
■ ООО "НПП Бреслгр"
■ АО'^АГ
53,73% -цуц"№еха(ющ)№м*ат
■ НПФ "Радиус"
в ЗАО ТсннСруп*
Проишэдотсл* V которм* усвдюмвпо мечте ЮОТфМИИЫКМ РЗА
Каждый тип УРЗА оснащен собственным корпусом, имеющим значительные отличия от корпуса другого типа УРЗА, а зачастую и в линейке одного производителя. Отдельные УРЗА обычно располагаются в специальных шкафах по несколько единиц в каждом. В силу отсутствия нормативной правовой базы на уровне государства, а также единой технической политики эксплуатирующих предприятий возникла ситуация, в которой на сегодняшней день существует большое количество абсолютно не взаимозаменяемых и не совместимых между собой как конструктивно, так и программном
уровне микропроцессорных УРЗА [5].
В данном случае при отказе одного из модулей конкретного типа УРЗА, установленного на конкретной подстанции или электростанции, эксплуатирующая организация сможет произвести замену дефектного модуля только и исключительно таким же самым, произведенным тем же производителем, а зачастую и такой же версии. Отсюда следует вывод, понеся затраты, в части приобретения УРЗА, при строительстве или модернизации объекта энергетика единожды, предприятие, осуществляющее эксплуатацию, фактически становится зависимым от производителя на период до 20 лет. После реализации закупочной процедуры по проекту нового строительства или модернизации для заказчика уже не будет иметь значение ассортимент предлагаемой продукции от разных производителей, так как он более не сможет эксплуатировать их изделия. В этой ситуации производитель УРЗА оказывается локальным монополистом, поставляемым запасные части, обновление программного обеспечения, предоставляемым обслуживание и модернизацию потребителям. И, как свойственно всем монополиям, может диктовать свои условия на рынке, рынке, состоящим из двух субъектов производителя и заказчика, неразрывно связанных проектом.
Решить данную проблему для эксплуатирующей организации можно, но неся вторичные затраты на проектирование, закупку, строительные и пуско-наладочные работы, и опять же оказавшись с этой проблемой, но у другого производителя УРЗА. В среднем по истечению 5-7 лет производитель
разрабатывает и внедряет в производство несколько новых моделей УРЗА, конструктивно, схемно, а зачастую и кардинально отличных от выпускаемых им ранее, вследствие этого ему становиться нерентабельно содержать складские запасы запасных частей на более ранее модели, обеспечивать трудозатраты работников, отвечающих за обновление программного обеспечения и техническую поддержку потребителей, проектных организаций по данным версиям продукта. Так, при выходе из строя одного из элементов печатной платы, интерфейсов ввода-вывода аналоговых и/или цифровых сигналов (печатные платы современных УРЗА на микропроцессорной базе выполнены по технологии, не предусматривающей их ремонт) либо иных компонентов в составе устройства, эксплуатирующая организация вынуждена производить полную замену устройства, неся капитальные затраты. Данные факты трансформируют проблему недостаточной аппаратной надежности микропроцессорных УРЗА в экономическую проблему, а наличие встроенной самодиагностики, так рекламируемой производителями, никак не влияет на интенсивность поломок и отказов [4].
Одним из очевидных способов повышения аппаратной надежности, таких как резервирование комплектов УРЗА, в современных реалиях достаточно затруднен ввиду их высокой стоимости и недостаточности материальных средств даже на модернизацию основного комплекта защиты, не говоря уже о резервном комплекте.
Иными способами повысить надежность УРЗА должны стать планово-предупредительные ремонты, замена отдельных элементов и обновление программного обеспечения. Если с обновлением программного обеспечения проблем не возникает пока его поддержку осуществляет производитель, то с ремонтом и техническим обслуживанием гораздо сложнее. Так, например, ремонт или техническое обслуживание микропроцессорного УРЗА возможно только на площадках и специалистами предприятия-изготовителя, который не имеет представителей в каждом региона нашей страны [3].
Что необходимо эксплуатирующей организации: вывести из работы подлежащие ремонту УРЗА, произвести его демонтаж, отправить изготовителю, провести монтаж.
Это только основные действия, также перед демонтажем необходимо урегулировать вопрос с выводом данного комплекта УРЗА, а если оно является единственным для первичного оборудования (что характерно для распределительных сетей до 110 кВ включительно), то возникает вопрос на сколько критичен вывод первичного оборудования и на какой период. Если это распределительно устройство электростанции или подстанции имеет обходную систему шин, то присоединение с выведенным УРЗА может работать через нее, но тогда не будут выполнятся ремонты других выключателей и УРЗА данного распределительного устройства, причем срок ремонта УРЗА возможно будет намного более продолжительным, так как время доставки до предприятия-изготовителя может быть и до 14 дней. Произвести временную замену на аналогичное устройство возможно, при наличии аналогов в эксплуатирующей организации, но учитывая всю палитру разнообразных микропроцессорных УРЗА, поставляемых на объекты энергетики, становится просто невозможным содержать весь парк таких подменных устройств. Согласно статистике, публикуемой АО «СО ЕЭС», физический износ оборудования и дефекты или неисправности вторичных цепей РЗА занимают значительную часть причин неправильной работы устройств релейной защиты и автоматики. Отсутствие возможности обслуживания импортного оборудования РЗА мешает своевременному принятию мер по продлению срока его службы, усиливая остроту проблемы, ведет к необходимости его замены.
Результаты функционирования устройств релейной защиты и автоматики в ЕЭС России за 2021-23 годы, согласно пресс-релизам АО «СО ЕЭС».
Максимальное число случаев некорректной работы устройств РЗА в отчетном периоде на основании анализа работы более 150 тысяч устройств РЗА на объектах электроэнергетики класса напряжения 110 кВ и выше связано: 2021 год 2022 год 2023 год
с непринятием или несвоевременным принятием мер по продлению срока службы или замене аппаратуры РЗА и ее вспомогательных элементов 22.60% 21.75% 19.97%
дефектами (недостатками) конструкции, изготовления 11.21% 9.84% 11.90%
с ошибочными действиями персонала 10.73% 10.02% 12.28%
Основные технические причины неправильных срабатываний устройств РЗА: 2021 год 2022 год 2023 год
дефекты или неисправности электромеханической аппаратуры 19.60% 18.71% 18.38%
дефекты или неисправности вторичных цепей РЗА 17.33% 18.10% 17.8%
физический износ оборудования 8.99% 7.96% 8.78%
3. Модульная концепция построения УРЗА.
Для решения описанных выше задач предлагается следующая концепция разработки микропроцессорной релейной защиты и автоматики:
Микропроцессорная релейная защита должна иметь модульное исполнение, основной (материнский) блок должен состоять из ряда слотов с
разъёмами под устанавливаемые модули защит и автоматики управления коммутационными аппаратами. Данный блок обеспечивает питание, синхронизацию, управление общим программным обеспечением устанавливаемых модулей.
Каждый модуль должен быть сконструирован как отдельное устройство, физически связанное с остальными подобными через базовый (материнский) модуль. Модули, выполняющие функции источника электропитания, модуль входных сигналов трансформатора тока и напряжения с элементами предварительной фильтрации сигналов, модуль цифровых входов, модуль выходных реле, модуль центрального процессора и т. д., должны быть реализованы на отдельных печатных платах стандартизированных типоразмеров, снабженных унифицированными разъемами.
Первым устанавливается модуль питания, выбираемый заказчиком, исходя из наличия оперативного тока на объекте, а также возможности его замены. Далее в каждый слот устанавливается необходимый модуль релейной защиты или автоматики в соответствии с потребностями и принятым техническим решением.
Один из слотов устройства определяется как «обходной слот», для обеспечения «горячей замены» модуля, который необходимо отключить и извлечь для проведения регламентных работ или замены в следующем порядке: вставляется резервный модуль в обходной слот, посредством встроенного программного управления переводится функционал рабочего модуля на модуль, находящийся в обходном слоте, после чего выполняется извлечение ранее работающего модуля.
Для повышения надежности функционала базовый (материнский) блок должен иметь возможность устанавливать пару комплектов идентичных защит (модулей) вместо одного и использовать второй комплект как резервный, автоматически запускаемый в работу по отсутствию сигнала об исправности от основного модуля.
4. Выводы.
Техническим результатом предлагаемой концепции построения микропроцессорных УРЗА будут являться:
Снижение стоимости микропроцессорной релейной защиты, так как при закупке будет предложена возможность выбора устройства из отдельных модулей от различных производителей, наиболее полно удовлетворяющих потребности эксплуатирующей организации с точки зрения оптимального баланса между качеством и стоимостью.
Возможность создания оптимальной номенклатуры модулей на складских запасах и в аварийном резерве.
Снижение актуальности проблемы пониженной надежности за счет быстрой и свободной замены на месте вышедших из строя модулей, а также установки резервных модулей, автоматически вводимых в работу при повреждении основных, исключение необходимости ремонта вышедших из строя модулей.
Снижение затрат на обновление, поскольку обновлять весь блок микропроцессорной релейной защиты каждые 10 - 15 лет, как это часто происходит сегодня, необязательно. Достаточно обновить его отдельные модули.
Возможность специализации на производстве каких-то отдельных, наиболее выгодных для данного производителя видов модулей.
Возможность участия в данном бизнесе малых и средних компаний, не имеющих достаточных ресурсов для разработки и производства комплектных УРЗА.
Конкурентное преимущество отечественных производителей, первыми начавших производство микропроцессорные УРЗА в виде модулей на территории страны, перед иностранным.
Отсутствие необходимости в выпуске устаревших модулей, необходимых для поддержания эксплуатации старых моделей.
Отказ от пожизненного бесплатного ремонта (практикуется некоторыми производителями).
Усиление конкуренции между производителями за счет появления на рынке новых «игроков» - малых и средних компаний, специализирующихся на выпуске лишь отдельных видов модулей, а не комплектных УРЗА, что повлечёт повышение предложений на рынке, а значит и снижению цены.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: учеб. пособие для вузов /А.М. Федосеев. - М.: Энергоатомиздат, 1984;
2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: учебное пособие для вузов. М.: ВШ, 2008;
3. Проблемы микропроцессорных устройств релейной защиты: мнения специалистов, нерешенные проблемы, публикации в прессе — http://digital-relay-problems. tripod. com;
4. Гуревич В. И. Проблемы микропроцессорных реле защиты: кто виноват и что делать? // Энергоинфо. 2009;
5. Никитин А.А. Микропроцессорные реле. Основы теории построения измерительной части: учеб. пособие /А.А. Никитин. Чебоксары: Издательство НОУ "НОЦ "ЭКРА", 2016
Ovodov I.Yu.
Samara State Technical University (Samara, Russia)
PROSPECT OF DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF MODULAR MICROPROCESSOR RELAY PROTECTION DEVICES
Abstract: the rapid introduction of microprocessor-based relay protection and automation devices has led to an unjustified variety of such devices produced by manufacturers in various form factors and often incompatible with each other. The development of a modular URZA construction system will reduce the influence of the "human factor", as well as increase the reliability of electric power facilities by promptly replacing modules.
Keywords: microprocessor, relay protection, modular design, module.
