CC BY
113
УДК 621.316.925.1
Принципы построения микропроцессорной релейной защиты и возможные алгоритмы ее настройки
Боровских А. Д. Alexey_borovskih@mail.ru
Студент магистратуры, Липецк, России.
Аннотация: В данной статье рассмотрены возможные алгоритмы настройки и принципы построения микропроцессорной релейной защиты. Они так же могут быть применимы и к системам, построенных на обычных электромеханических устройствах.
Ключевые слова: Микропроцессорная релейная защиты, МРЗ, релейная защита, энергосистема, короткое замыкание, уставки, закон распределения вероятностей.
Principles of microprocessor relay protection and possible algorithms of
its settings
Borovskih A. D. Alexey_borovskih@mail.ru
Master student, Lipetsk, Russia.
Abstract: This article examines the possible adjustment algorithms and principles of construction of microprocessor relay protection. They can also be applied to systems built on conventional electromechanical devices.
Keywords: microprocessor relay protection, MDE, relay protection, power system, short circuit, the setting, the law of probability distribution.
В существующее время выделяют виды релейной защиты (РЗ) основанные на 3-х основных принципах: дифференциальном или дифференциально-фазном для пространственно-сосредоточенного оборудования (трансформаторы и автотрансформаторы, различные генераторы) и схемы (шины и линии), с обменом информацией (с блокирующими и разрешающими сигналами, высокочастотный дифференциально-фазный принцип выделения положительного полупериода электрических величин промышленной частоты) между комплектами аппаратуры на концах
- пространственно-распределенных объектов (двухконцевые и многоконцевые линии), токовые и дистанционные ступенчатые РЗ для пространственно-распределенных и пространственно-сосредоточенных объектов.
Выполненные на первых двух принципах РЗ действуют в жестко выделенной области пространства защищаемого объекта, ограниченного датчиками тока, и их действие практически не зависит от режимов защищаемых электроустановок и всей внешней сети. Последнее в значительной степени свойственно и ступенчатым РЗ, выполненным на дистанционном принципе. Области действия измерительных релейных органов параметра реагирования основных и резервных каналов всех ступенчатых РЗ захватывают в координатах названного параметра пространства предыдущих и смежных элементов сети и блокируются при КЗ на этих пространствах с помощью задержки действия, пока не произойдет срабатывание релейных защит предыдущих или смежных элементов. Для надежности указанного блокирования измерительные органы, области действия которых захватывают пространства предыдущих и смежных компонентов, обычно координируются по параметру реагирования с измерительными органами РЗ предыдущих и смежных компонентов [1].
При проектировании и настройке ступенчатых РЗ уставки измерительных органов предыдущих и смежных компонентов примыкающих сетей обычно предоставляются и с ними производится согласование уставок измерительных органов, области которых захватывают пространства предыдущих и смежных компонентов. Однако задание уставок, особенно обусловленных подпитками, не удовлетворяет требованиям технической представительности, т.к. нет никакого объективного критерия для задания, кроме экспертной интуиции, а объективный их расчет сталкивается с той же проблемой согласования с уставками предыдущих и смежных компонентов.
Другая проблема при настройке ступенчатых РЗ состоит в многочисленности, неоднозначности и неопределенности коммутационных состояний сложной сети для вычисления минимальных и максимальных значений параметра реагирования защиты интересующего объекта. Кроме того, существует также проблема настройки резервных ступеней в сложных многоконтурных сетях, как по параметру реагирования, так и по времени. Ступенчатые дистанционные РЗ в существенно меньшей степени подвержены этим недостаткам, т. к. они реагируют не на режимный параметр реагирования тока, в котором сосредоточены все помехи, обусловленные погрешностями режимов источников, коммутациями в сети и др., а на конструкторский параметр сопротивления, который, хотя и выявляется через режимные электрические величины ток и падение напряжения на сопротивлении защищаемой короткозамкнутой цепи, однако в отношении падения напряжения к току, т.е. в сопротивлении, последний
исчезает со всеми своими погрешностями: абсолютно при отсутствии поперечных параметров у названной цепи (практически у первых ступеней), существенно при наличии поперечных цепей подпитки в других случаях (первые ступени многоконцевых линий, все остальные ступени) [2].
Из сказанного следует, что реализация токового принципа РЗ является менее эффективной, целесообразно применять дистанционные ступенчатые РЗ. Однако данное утверждение должно быть скорректировано в связи с заметными недостатками дистанционных РЗ: сложностью аппаратуры, особенно от КЗ на землю, у которой при настойке возникает проблема нерегулярности сигналов из-за взаимодействия по токам нулевой последовательности, также подверженностью качаниям и асинхронному режиму.
Благодаря жесткому выделению области действия и практически мгновенному обмену сигналами между датчиками тока (дифференциальный, дифференциально-фазный принцип) или быстрому обмену информацией между комплектами аппаратуры (с блокирующими и разрешающими сигналами, высокочастотный дифференциально-фазный принцип) на концах (выводах) защищаемого объекта, также слабой зависимости параметра реагирования от сквозных токов при внешних КЗ и, следовательно, незначительности помех проблемы качественной и оптимальной настройки, также построения релейной защиты, адекватной свойствам защищаемых электроустановок, для таких видов защит практически полностью решены.
Что касается ступенчатых РЗ, то здесь картина противоположная. Вследствие сложной переходящей в нерегулярность зависимости от параметра реагирования области действия однозначно не определены. Сама же рандомизированная зависимость обусловлена измерением электрических величин реагирования только у одной из границ области действия защищаемого объекта. Это не позволяет увеличить достоверность полученной информации за счет дополнительных условий измерений, обусловливает неопределенность помех, а, следовательно, расчет должен вестись на максимально- возможные помехи, что, с одной стороны, не увеличивает объективность величин последних, а, с другой стороны, вынуждает делать уставок менее чувствительными.
Снижение чувствительности уставок, захватывающих пространства внешних объектов, возможно с помощью дополнительных каналов блокирования действия этих ступеней, чаще всего за счет увеличения времени их действия. Несмотря на это в ряде случаев на удается обеспечить приемлемую настройку ступенчатых РЗ. В некоторых случаях препятствием является несоответствие уставок РЗ предыдущих смежных элементов сети свойствам и характеристикам этой сети.
В связи с указанными обстоятельствами современные ступенчатые РЗ дополняются средствами ускорения действия ступеней или обмена информацией между комплектами на концах линий, например, по принципу с разрешающим сигналом. Таким образом, ступенчатые РЗ переводятся в разряд РЗ с жестким выделением области действия. Однако, обеспечение указанной жесткости области действия требует немалых затрат на установку и содержание информационных каналов. Поэтому целесообразна разработка менее затратных приемов, процедур и алгоритмов, но более рациональной по сравнению с существующим экспертно-руководящим методом настройки наличной аппаратуры, выполняющей функции каналов ступенчатой РЗ. Актуальным является и разработка количественного критерия, оценивающего в полном объеме функциональные качества проектируемой РЗ. Актуальность особенно возрастает в связи с большим количеством используемой цифровой, микроэлектронной, электромеханической аппаратуры, технические характеристики которой необходимо сравнить в применении к конкретному автоматизируемому объекту и его сетевому окружению [3].
Анализ показывает, что наиболее полным и представительным критерием технического качества РЗ являются функциональные потери (отказы срабатывания, ложные и излишние действия), снижающие потенциальный технический эффект, возлагаемый на проектируемую РЗ. При этом сразу следует отметить, что необходимо рассматривать и учитывать только те потери, которые обусловлены не аппаратурными отказами, а техническими характеристиками и особенностями сети: сложностью, режимами работы, коммутациями, видами КЗ, пространством защищаемого объекта. Аппаратурные отказы хотя и влияют на функциональные характеристики РЗ, однако практическое снижение или устранение их не связано с характеристиками и свойствами защищаемых объектов, а полностью определяется качеством элементной базы, используемой для построения аппаратуры РЗ. Следует отметить, что обсуждаемый критерий эффективности РЗ одинаково применим не только для ступенчатых РЗ, но и ко всем остальным видам и типам РЗ, а также каналам противоава-рийной автоматики, т.к. функциональные потери типа отказов срабатывания и ложных действий свойственны всем устройствам и системам контроля.
В связи с большим количеством разработок сложных и дорогих дистанционных РЗ с разными характеристиками срабатывания реле сопротивления в комплексной области актуальным является разработка отдельного специализированного количественного критерия эффективности, оценивающего качество дистанционных измерительных органов.
Возможно также построение более простых и дешевых токовых РЗ с жестким выделением области действия путем использования дифференциального и дифференциально-фазного принципа и ряда современных
технологий. Отмеченные выше преимущества дифференциального или дифференциально-фазного принципа над ступенчатыми РЗ могут быть усилены, если применять его не в целом для оборудования, а для его пространственно-распределенных частей: участков обмоток генераторов, двигателей, трансформаторов, автотрансформаторов, реакторов, участков линий, а передачу действия защиты участков осуществлять на коммутационные аппараты, размещенные на выводах оборудования, головных концах линий, используя для этого высокочастотные и оптоволоконные каналы. Благодаря указанному подразделению защищаемого компонента на участки жестко фиксируется место повреждения, снижаются помехи вследствие повышенной идентичности (однотипности) датчиков тока на концах меньших по размеру участков по сравнению с размером всего защищаемого компонента, повышаются селективность и чувствительность и даже быстродействие, т.к. повышается отношение сигнал/шум. Благодаря подразделению защищаемого объекта на участки защита на дифференциальном принципе оказывается чувствительной к вит-ковым замыканиям на разных участках относительно границ каждого защищаемого участка [4].
Обсуждаемые качества принципиально еще более возрастут, если вместо существующих датчиков высоковольтного тока с нерегулярной погрешностью использовать непосредственно первичные токи, например, в виде падений напряжений от силовых токов, протекающих по проводам концов участков. Необходимые при этом блоки питания для электронных приборов на потенциале высоковольтных проводов могут быть построены путем использования как силовых токов проводов обмоток оборудования и линий, так и падений напряжений от утечек в полупроводниковых вставках, заменяющих изоляцию относительно этих проводов. Необходимая изоляционная развязка сигналов на высоковольтном потенциале выводов оборудования и концевых участков линий с сигналами у земли, используемыми для управления коммутационными аппаратами, может быть осуществлена с помощью электронно-оптического преобразования сигналов на высоковольтном потенциале, передачи оптических сигналов по оптоволоконным жилам и обратного оптоэлектрон-ного преобразования на потенциале у земли.
Построение РЗ в настоящее время в основном осуществляется по метрическому принципу, т.е. в основе устройств и систем РЗ находятся измерительные органы. Однако, практически притягательным является также неметрический или событийный дуговой принцип построения РЗ. Дуговой принцип основан на фиксации вспышки электрической дуги в прозрачном для лучей дуги слое материала типа стекла над поверхностью проводов. Названный прозрачный слой расположен над поверхностью проводов, но под непрозрачной изоляцией поверх слоя. Передача луче-
вых сигналов из прозрачного слоя осуществляется с помощью опущенных в него оптоволоконных жил, идущих непосредственно на пульт в случае РЗ электрооборудования, либо с дальнейшим преобразованием лучевых сигналов в электрические на потенциале высоковольтного провода и передаче в кодированном виде по этому проводу на головные участки защищаемых линий [5].
На головных участках линий кодированные сигналы отбираются, преобразуются в оптические и передаются по оптоэлектронным жилам, осуществляющим также изоляционную развязку от высоковольтного потенциала, на аппаратуру, работающую на потенциале у земли, и выполняющую преобразование оптических сигналов в электрические, декодирование последних и выработку сигнала отключения данного конца линии.
Дуговой принцип еще в большей степени по сравнению с дифференциальным целесообразно реализовывать по участкам пространства обмоток оборудования или проводов фаз линий, т.к. передача лучевых сигналов по существующим материалам прозрачного слоя на дальние расстояния затруднена, т.е. прозрачный слой у поверхности провода должен быть разделен на участки из непрозрачных перегородок.
Следует заметить, что дифференциальный принцип для электрических (не трансформаторных) цепей весьма близок к событийному дуговому принципу построения РЗ. Действительно, при внешних КЗ в дифференциальной цепи имеет место практически нулевой сигнал, а при внутреннем КЗ в любых условиях функционирования сигнал в данной цепи возрастает до максимально возможной величины. Фактически большой сигнал при внутреннем КЗ в дифференциальной цепи является по сравнению с ничтожно малым при внешнем КЗ не метрической величиной, а качественной категорией, т.е. событием.
Оба представленные здесь принципа построения РЗ - дуговой и дифференциальный (последний -только для электрических цепей) не подвержены влиянию ненормальных асинхронных и неполнофазных режимов и в сочетании с применением современных оптоволоконных линий позволяют отказаться от измерительных трансформаторов. Это обусловливает существенный экономический эффект [6].
Для пространственно распределенных объектов неметрические принципы целесообразно применять по выделенным участкам защищаемого объекта, что упрощает процесс контроля КЗ и, следовательно, построение средств РЗ, однако в ряде случаев (линии) требует решения вопроса о передаче результата контроля в виде логического сигнала на большие расстояния. Принципиальные проработки неметрических защит для воздушных и кабельных линий, для обмоток оборудования показали техническую возможность их практической реализации.
Рациональная настройка РЗ выполняется в целом для всей сети в следующей последовательности: сначала быстродействующие каналы, затем последующие ступени и в последнюю очередь резервирующие ступени. ЭРМ не имеет количественной меры для объективной оценки настройки РЗ.
Вероятностный метод позволяет объективно и оптимально настроить все каналы РЗ. Дифференциальный принцип построения РЗ для гальванически связанных цепей с использованием первичных электрических величин на высоковольтном потенциале и дуговой принцип реагирования на дуговые вспышки в прозрачном слое на поверхности проводов, который скрыт непрозрачными слоями изоляции, являются наиболее подходящими для построения РЗ. Они наиболее адекватно и естественно соответствуют восприятию аварийных событий КЗ в электроустановках, для контроля и устранения которых предназначена РЗ. Они же наиболее полно удовлетворяют требованиям селективности, чувствительности, быстродействию, функционально, конструктивно, схемотехнически просты, их настройка не зависит ни от помех, ни внешних условий.
Библиографический список:
1. Электротехнический справочник: В 4-х т. Т. 3. Производство и распределение электрической электроэнергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. А.И. Попов). 8-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 964 с.
2. Вероятностный метод селекции границ интервалов данных для задач электроэнергетики / А.В. Шмойлов, Л.В. Кривова, Е.И. Стоянов, К.В. Игнатьев // Изв. ВУЗов «Проблемы энергетики». - 2008, № 7-8/1. -С.146-157.
3. Шмойлов А.В. Вероятностная настройка ступенчатых токовых релейных защит // Изв. ТПУ. - 2005. Т 308, № 7. - С. 194-198.
4. Гуревич В. И. Еще раз о надежности микропроцессорных устройств релейной защиты//Электротехнический рынок, 2009. № 3 (29). С.40-45.
5. Гуревич В. И. Критерии оценки релейной защиты: следует ли усложнять ситуацию?//Вести в электроэнер- гетике, 2009. № 6. С. 45-48.
6. Камель Т.С., Хассан М.А., Эль-Моршеди А. (Cairo University, Египет) Применение систем искусственного интеллекта в дистанционной защите линии электропередачи//Тезисы докладов Второй Международной научно- технической конференции «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», Москва 710 сентября 2009 г.
References:
1. Electrical Engineering Handbook: In 4 vols 3. Production and distribution of electric power /, ed.. Ed. MEI professors V.G. Gerasimov et al. (Sec. Ed. A. Popov). 8th ed., Rev. and ext. - M .: MEI Publishing, 2002. - 964 p.
2. The probabilistic method of selection boundaries data slots for power problems / A.V. Shmoylov, L.V. Krivova, E.I. Stoyanov, K. Ignatiev // Math. "Problems of Energy" Universities. - 2008, № 7-8 / 1. - S. 146-157.
3. A.V. Shmoylov Probabilistic setting step Current Protection // Math. TPU. - 2005 T 308, number 7. - S. 194-198.
4. Gurevich V.I. Reliability of microprocessor relay protection weed // electrotechnical market cue, 2009. № 3 (29). S. 40-45.
5. Gurevich V.I. Criteria for evaluation of relay protection: whether to complicate the situation // News in electric power industry, 2009. № 6. C. 4548?.
6. T.S. Kamel Hassan MA Al Morshed A. (Cairo University, Egypt) The use of artificial intelligence systems to protect power line remote cottages // Abstracts of the Second International Scientific and Technical Conference "Modern directions of development relay protection and automation of energy systems ", Moscow 7-10 September 2009
Об авторах
Боровских Алексей Дмитириевич (Alexey_borovskih@mail.ru)
Студент магистратуры 1 года обучения Липецкого Государственного Технического Университета. г. Липецк, Россия.
About authors
Borovskikh Alexey Dmitrievich (Alexey_borovskih@mail.ru)
Master student. Lipetsk State Technical University. Lipetsk, Russia.
