Введение в числовые реле
Различие между цифровыми и числовыми реле особенно относится к защите. Цифровые реле - это естественное развитие цифровых реле благодаря достижениям в области технологий. Они используют один или несколько цифровых сигнальных процессоров (DSP), оптимизированных для обработки сигналов в реальном времени, и выполняют математические алгоритмы для функций защиты.
Основы численных реле, их особенности и важные соображения
Продолжающееся снижение затрат и размеров микропроцессоров, памяти и схем ввода-вывода приводит к одному элементу оборудования для ряда функций. Для более быстрой обработки в режиме реального времени и более детального анализа осциллограмм несколько параллельных процессоров могут быть запущены параллельно.
Многие функции, ранее реализованные в отдельных элементах оборудования, затем могут быть включены в один элемент.
Итак, давайте начнем с введения в числовые реле, а затем объясним их дополнительные функции и в конце обсудим важные соображения относительно программного обеспечения, управления данными и т. Д.
-
Введение в числовые реле
- Архитектура оборудования
- Программное обеспечение для релейной операционной системы
- Программное обеспечение для реле
-
Дополнительные функции цифровых реле
- Отображение измеренных значений
- Контроль VT / CT
- Контроль CB и индикация состояния / состояния
- Регистратор помех (осциллограф)
- Синхронизация времени
- Программируемая логика
- Предоставление настраиваемых групп
- Выводы
-
Численное релевание
- Контроль версий программного обеспечения
- Управление ретрансляционными данными
- Тестирование реле и ввод в эксплуатацию
В таблице 1 приведен список типичных функций, в то время как в таблице 2 приведены преимущества современного численного реле над статическими эквивалентами реле.
ТАБЛИЦА 1 - Функции цифрового ретрансляции
| Дистанционная защита - несколько схем, включая определяемые пользователем | Защита от перегрузки по току (направленная / ненаправленная) |
| Несколько групп настроек для значений защиты | Защита при включении |
| Блокировка Power Swing | Контроль над трансформатором напряжения |
| Защита от отрицательной последовательности | Защита от пониженного напряжения |
| Защита от перенапряжения | Защита от сбоев CB |
| Место повреждения | Контроль CT / VT |
| АПВ | Проверить синхронизацию |
| Мониторинг состояния ЦБ | Мониторинг состояния CB |
| Обнаружение неисправного проводника | Определяемая пользователем логика |
| Регистратор неисправностей / событий / нарушений | Измерение количества энергосистем (ток, напряжение и т. Д.) |
ТАБЛИЦА 2 - Преимущества цифровых реле над статическими реле
| Несколько групп уставок | Широкий диапазон настройки параметров |
| Коммуникации, встроенные (последовательный, Ethernet, телезащита и т. Д.) | Внутренняя диагностика неисправностей |
| Доступны измерения энергосистемы | Расстояние до локатора ошибок |
| Регистратор помех | Вспомогательные функции защиты (сломанный проводник, отрицательная последовательность и т. Д.) |
| Контроль CB (состояние, состояние) | Определяемая пользователем логика |
| Функции резервного копирования встроены | Согласованность времени работы - сокращение маржи |
Рисунок 1, Рисунок 2 и Рисунок 3 показывают типичные числовые реле, в то время как на Рисунках 4 и 5 показаны типичные цифровые платы релейных сигналов.
Рисунок 1 - Цифровое реле передачи первого поколения (1986)
Рисунок 2 - Цифровое реле распределения первого поколения
Рисунок 3 - Типичное современное числовое реле
Цифровое реле имеет функциональность, которая ранее требовала нескольких дискретных реле, поэтому функции реле, такие как перегрузка по току или замыкание на землю, называются «релейными элементами».
Каждый элемент реле находится в программном обеспечении, поэтому с модульным оборудованием основной процессор сигналов может работать с большим количеством элементов реле.
Рисунок 4 - Цифровая плата процессора реле
Рисунок 5 - Резервированная плата Ethernet с избыточным номером
Аргумент против ввода многих функций в один кусок аппаратных центров по вопросам надежности и доступности. Сбой численного реле может привести к потере многих функций, по сравнению с приложениями, где различные функции реализуются отдельными аппаратными элементами.
Сравнение надежности и доступности между этими двумя методами является сложным, поскольку необходимо учитывать взаимозависимость элементов приложения, предоставляемых отдельными элементами реле.
Благодаря опыту, накопленному в статических и цифровых реле, большинство механизмов аппаратного сбоя теперь хорошо поняты и приняты соответствующие меры предосторожности на этапе проектирования. Программные проблемы сводятся к минимуму благодаря строгому использованию методов разработки программного обеспечения и возможности загрузки обновленного программного обеспечения.
Практический опыт показывает, что числовые реле надежны, как реле предыдущих технологий. Современные цифровые реле будут иметь всесторонний самоконтроль, чтобы предупредить пользователя о любых проблемах.
Вернуться к основному указателю ↑
1. Архитектура оборудования
Типичная архитектура цифрового реле показана на рисунке 6. Она состоит из одного или нескольких цифровых сигнальных процессоров, некоторой памяти, цифрового и аналогового ввода / вывода (I / O) и источника питания.
В тех случаях, когда используются несколько процессоров, один из них является общим контроллером ввода-вывода, интерфейса человеко-машинного интерфейса (HMI) и любой связанной с ним логикой, в то время как другие предназначены для алгоритмов реле защиты.
Рисунок 6 - Типовая аппаратная архитектура цифрового ретранслятора
Путем организации ввода-вывода на наборе плагинов печатных плат дополнительные платы ввода-вывода до пределов аппаратного и программного обеспечения могут быть легко добавлены. Внутренняя коммуникационная шина связывает оборудование и, следовательно, является критическим компонентом в дизайне.
Он должен работать на высокой скорости, использовать низкое напряжение, но не застрахован от проводимых и излучаемых помех от окружающей среды с электрическим шумом.
Поэтому требуется отличная защита соответствующих областей. Цифровые входы оптически изолированы для предотвращения передачи переходных процессов во внутреннюю схему. Аналоговые входы изолированы с использованием прецизионных трансформаторов для поддержания точности измерений при удалении вредных переходных процессов.
Кроме того, входные сигналы должны быть ограничены амплитудой, чтобы избежать превышения диапазона измерения, в противном случае форма волны обрезается, вводя гармоники.
См. Рисунок 7.
Рисунок 7 - Обрезание из-за чрезмерной амплитуды
Аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму с использованием аналого-цифрового преобразователя. Самый дешевый способ - использовать один аналого-цифровой преобразователь, которому предшествует мультиплексор для подключения каждого из входных сигналов по очереди к преобразователю. Сигналы могут быть первоначально введены в несколько одновременных схем выборки и удержания перед мультиплексированием, или соотношение времени между последовательными образцами должно быть известно, если важно соотношение фаз между сигналами.
Альтернативой является обеспечение каждого входа специальным аналого-цифровым преобразователем и логикой, чтобы гарантировать, что все преобразователи выполняют измерение одновременно.
Частота отбора проб должна быть тщательно рассмотрена, так как применяется критерий Найквиста:
f s ≥ 2 × f h
где:
- f s = частота дискретизации
- f h = наибольшая частота интереса
Если частота дискретизации слишком низкая, может возникнуть сглаживание входного сигнала (см. Рис. 8), чтобы высокие частоты могли появляться как часть сигнала в интересующем частотном диапазоне. Затем получают неправильные результаты.
Решение состоит в использовании фильтра сглаживания и правильной частоты дискретизации аналогового сигнала, отфильтровывая частотные составляющие, которые могут вызывать наложение.
Цифровые синусоидальные и косинусные фильтры (рис. 7) извлекают реальные и мнимые компоненты сигнала.
Рисунок 8 - Проблема сглаживания сигнала
2. Реле Операционная система Программное обеспечение
Предоставленное программное обеспечение обычно организовано в ряд задач, работающих в режиме реального времени. Важным компонентом является операционная система реального времени (RTOS), которая обеспечивает выполнение других задач при необходимости в правильном приоритете.
Другое программное обеспечение зависит от функции реле, но может быть обобщено следующим образом:
- Программное обеспечение системных служб - это сопоставимо с BIOS обычного ПК и управляет низкоуровневыми вводами / выводами для реле, такими как драйверы для аппаратного обеспечения ретрансляции и последовательность загрузки.
- Программное обеспечение интерфейса HMI. Это программное обеспечение высокого уровня для связи с пользователем на элементах управления на передней панели или с помощью линии передачи данных на другой компьютер для хранения данных, таких как настройки или записи событий.
- Приложение - это программное обеспечение, которое определяет функцию защиты реле
- Вспомогательные функции - программное обеспечение для реализации других функций в реле, часто структурированное как серия модулей для отражения вариантов, предлагаемых производителем.
Вернуться к основному указателю ↑
3. Реле приложения
Затем применяется соответствующий программный алгоритм. Во-первых, величины процентов определяются из информации в образцах данных. Это часто делается с использованием дискретного преобразования Фурье (DFT), и результатом является величина и информация о фазе для выбранного количества. Этот расчет повторяется для всех интересующих количеств.
Затем величины можно сравнить с релейной характеристикой и принять решение в следующих случаях:
- Значение выше настройки - запуск таймеров и т. Д.
- Таймер истек - аварийный сигнал / поездка
- Значение возвращается ниже настроек - таймеры сброса и т. Д.
- Значение ниже настройки - ничего не делать
- Значение еще выше настройки - таймер увеличения и т. Д.
Поскольку общее время цикла для программного обеспечения известно, таймеры обычно реализуются как счетчики.
Вернуться к основному указателю ↑
Дополнительные функции цифровых реле
Процессор цифровых сигналов (DSP) в числовом реле обычно может обрабатывать как вычисления функции защиты реле, так и общее управление реле, таких как HMI и I / O. Однако, если DSP перегружен, он не может завершить вычисления алгоритма защиты в требуемое время, а функция защиты замедляется.
Типичные функции, которые могут быть найдены в цифровом реле, отличном от функций защиты, описаны в этом разделе. Обратите внимание, что не все функции находятся в определенном реле. Как и в случае с более ранними поколениями реле, и в соответствии с сегментацией рынка, производители предлагают разные версии, каждый из которых имеет различный набор функций.
Функциональные параметры обычно отображаются на передней панели реле и через внешний коммуникационный порт.
- Отображение измеренных значений
- Контроль VT / CT
- Контроль CB / индикация состояния / мониторинг состояния
- Регистратор помех (осциллограф)
- Синхронизация времени
- Программируемая логика
- Предоставление настраиваемых групп
- Выводы
1. Отображение измеренных значений
Это, пожалуй, самая очевидная и простая функция для реализации, поскольку она включает в себя наименее дополнительное процессорное время. Значения, которые реле должно измерять для выполнения своей функции защиты, уже были получены и обработаны.
Поэтому простая задача - отобразить их на передней панели или передать их на удаленный компьютер или станцию HMI.
Из измеряемых величин может быть получено несколько дополнительных величин, в зависимости от доступных входных сигналов. Они могут включать:
- Величины последовательности (положительные, отрицательные, нулевые)
- Мощность, реактивная мощность и коэффициент мощности
- Энергия (кВтч, кВар)
- Максимум. спрос в период (кВт, кВар, средний и пиковый значения)
- Гармонические величины
- частота
- Температура / статус RTD
- Информация о запуске двигателя (время начала, общее количество запусков / повторных спусков, общее время работы
- Расстояние до отказа
Точность измеренных значений может быть только такой же, как точность используемых преобразователей, таких как трансформаторы VTs и аналого-цифровой преобразователь. Поскольку КТ и ВТ для функций защиты могут иметь другую спецификацию точности для функций измерения, такие данные могут быть недостаточно точными для целей тарификации.
Однако для оператора достаточно точно оценить системные условия и принять соответствующие решения.
Вернуться к основному указателю ↑
2. Контроль VT / CT
Если используются подходящие ВТ, можно обеспечить контроль за поставками VT / CT. Контроль VT усложняется различными условиями, при которых не может быть никакого сигнала VT, некоторые из которых указывают на отказ VT, а некоторые возникают из-за сбоя в системе электропитания.
Если теряется только одна или две фазы, алгоритм отказа VT может быть выполнен путем обнаружения остаточного напряжения без наличия тока нулевой или отрицательной фазы. Для потери всех трех фаз ошибка в системе будет сопровождаться изменением фазных токов, поэтому отсутствие такого изменения может быть воспринято как потеря сигнала VT.
Однако этот метод не срабатывает при закрытии на мертвой, но здоровой линии, поэтому детектор уровня также должен различать текущий пуск из-за линейной зарядки и из-за неисправности.
Контроль КТ осуществляется более легко. Общий принцип - это расчет уровня тока отрицательной последовательности, который не соответствует расчетному значению напряжения отрицательной последовательности.
Вернуться к основному указателю ↑
3. Контроль CB и индикация состояния / состояния
Системным операторам обычно требуется знание состояния всех выключателей, находящихся под их контролем. Выходы переключателя положения CB могут быть подключены к цифровым входам реле и, следовательно, обеспечивают индикацию состояния через коммуникационную шину в центр дистанционного управления.
Автоматические выключатели также требуют периодического обслуживания своих рабочих механизмов и контактов, чтобы обеспечить их работу, когда это необходимо, и что мощность неисправности не пострадает. Требование на техническое обслуживание зависит от количества операций отключения, суммарного тока и типа выключателя.
Цифровое реле может записывать все эти параметры и, следовательно, настраиваться для отправки тревоги при необходимости технического обслуживания.
Если техническое обслуживание не выполняется в течение предопределенного времени или количества отключений после обслуживания, CB может быть организован для отключения и блокировки или для блокировки определенных функций, таких как автоматическое повторное включение.
Наконец, а также отключение СВ, как требуется в условиях сбоя, он также может быть установлен для цифрового выхода, который будет использоваться для закрытия СВ, так что отдельные схемы управления ЦЗ могут быть устранены.
Вернуться к основному указателю ↑
4. Регистратор помех (осциллограф)
Память реле требует определенного минимального количества циклов измеренных данных для правильной обработки сигналов и обнаружения событий. Память может быть легко расширена, чтобы обеспечить хранение большего периода времени входных данных, как аналоговых, так и цифровых, а также состояния релейных выходов.
(info) Затем он имеет возможность выступать в качестве регистратора нарушений для контролируемой схемы, так что, замораживая память в момент обнаружения неисправности или отключения, запись о нарушении доступна для последующей загрузки и анализа.
Возможно, неудобно сразу загрузить запись, поэтому могут быть предоставлены средства для захвата и хранения ряда нарушений.
В промышленных и небольших распределительных сетях это может быть все, что требуется. В сетях передачи может потребоваться предоставить один рекордер для одновременного мониторинга нескольких схем, и в этом случае требуется отдельный магнитофон.
Для получения дополнительной информации о различных типах записи нарушений см. Эту техническую статью.
Вернуться к основному указателю ↑
5. Синхронизация времени
Для записей о нарушениях и данных, относящихся к потреблению энергии, требуется временная маркировка для любых полезных целей. Хотя есть внутренние часы, это имеет ограниченную точность, и использование этих часов для предоставления информации о времени может вызвать проблемы, если запись помехи должна быть сопоставлена с аналогичными записями из других источников, чтобы получить полную картину события.
Многие цифровые реле имеют возможность синхронизации времени с внешними часами. Обычно используемым стандартом является сигнал IRIG-B или IEEE 1588, который может быть получен из нескольких источников, включая спутниковый приемник GPS.
Вернуться к основному указателю ↑
6. Программируемая логика
Логические функции хорошо подходят для реализации с использованием микропроцессоров. Реализация логики в реле не нова, так как функции, такие как intertripping и auto-reclose, требуют определенной логики.
Однако, предоставляя значительное количество цифровых входов / выходов и делая логику, которая может быть запрограммирована с использованием подходящего автономного программного обеспечения, функциональность таких схем может быть улучшена или предоставлены дополнительные функции.
Например, реле максимального тока на приемном конце податчика трансформатора может использовать температурные входы, предусмотренные для контроля температуры обмотки трансформатора, и предоставлять аварийное или аварийное сообщение для оператора или восходящего реле, исключая необходимость в отдельном реле температуры обмотки.
Могут быть и другие преимущества, такие как различные логические схемы, требуемые различными утилитами, которые больше не нуждаются в отдельных версиях реле или какой-либо жесткой проводной логике для реализации, и все это снижает стоимость производства.
Также проще настроить реле для конкретного приложения и устранить другие устройства, которые в противном случае потребовались бы.
Вернуться к основному указателю ↑
7. Предоставление групп настроек
Исторически, электромеханические и статические реле были снабжены фиксированными настройками штепселя, применяемыми к реле. К сожалению, энергосистемы меняют свою топологию из-за эксплуатационных причин на регулярной основе, таких как поставка из обычного или аварийного производства. Для различных конфигураций могут потребоваться различные настройки реле для поддержания требуемого уровня защиты сети.
Уровни отказов существенно различаются для частей сети, которые питаются под нормальным и аварийным генератором.
Эта проблема может быть решена путем предоставления в реле нескольких групп уставок, только один из которых используется в любой момент времени. Переключение между группами может быть достигнуто с помощью удаленной команды от оператора или, возможно, через программируемую логическую систему.
Это может устранить необходимость дублирования реле, которые будут иметь некоторую форму переключения входов и выходов в зависимости от конфигурации сети. Кроме того, оператор может запрограммировать реле удаленно с группой параметров, если это необходимо.
Вернуться к основному указателю ↑
Выводы
Дополнительные средства в числовых реле могут исключить необходимость установки других устройств измерения и контроля на подстанции. Также числовые реле имеют функциональность, которая ранее требовала отдельного оборудования. Реле защиты больше не выполняет основную функцию защиты, а является интегральной и основной частью схемы автоматизации подстанции.
Выбор реле защиты, а не какого-либо другого устройства является логичным, поскольку реле защиты, вероятно, является единственным устройством, которое фактически является обязательным для цепей любого значимого рейтинга.
Поэтому функции, ранее выполняемые отдельными устройствами, такими как контроллеры отсеков, дискретные измерительные преобразователи и подобные устройства, теперь находятся в реле защиты. В настоящее время возможно реализовать схему автоматизации подстанции с использованием числовых реле в качестве основного оборудования, предоставляемого на уровне отсека.
По мере того как мощность микропроцессоров продолжает расти, и давление на операторов для сокращения расходов продолжается, эта тенденция будет продолжаться. Одной из очевидных разработок является предоставление объектов RTU в назначенных реле, которые выступают в качестве локальных концентраторов информации в рамках общей схемы автоматизации сети.
Вернуться к основному указателю ↑
Численное релевание
Введение числовых реле заменяет некоторые из предыдущих поколений реле новыми. Некоторые из новых проблем, которые необходимо решить, следующие:
- Контроль версий программного обеспечения
- Управление данными ретрансляции
- Проверка и ввод в эксплуатацию
1. Контроль версий программного обеспечения
Цифровые реле выполняют свои функции в программном обеспечении. Процесс, используемый для генерации программного обеспечения, принципиально не отличается от процесса для любого другого устройства, использующего программное обеспечение реального времени, и включает трудности разработки кода, который является безошибочным.
ЗАМЕТКА! Поэтому производители должны уделять особое внимание методологии, используемой для создания и тестирования программного обеспечения, чтобы гарантировать, что, насколько это возможно, код не содержит ошибок. Если производитель продвигает функциональность, доступную в новой версии программного обеспечения реле, или когда проблемы обнаруживаются в программном обеспечении после выпуска числового реле, может потребоваться обновление поля.
Этот процесс требует строгой системы контроля версий программного обеспечения, чтобы отслеживать:
- Существуют различные версии программного обеспечения x различия между каждой версией
- Причины изменения
- Реле, оснащенные каждой версией
В случае эффективной системы контроля версий производители могут сообщать пользователям о возможных проблемах, если проблема является известной проблемой, связанной с программным обеспечением, и какие меры необходимы для исправления. С помощью подходящего программного обеспечения, хранящегося у пользователя, может быть возможно загрузить новую версию программного обеспечения вместо того, чтобы требовать посещения от сервисного инженера.
Вернуться к основному указателю ↑
2. Управление ретрансляционными данными
Цифровое реле обычно обеспечивает гораздо больше функций, чем реле, использующее статическую или электромеханическую технологию. Чтобы использовать эти функции, соответствующие данные должны быть введены в память реле, и рекомендуется сохранять резервную копию.
Количество данных на числовое реле может быть в 10-100 раз больше, чем эквивалентное электромеханическое реле, к которому должна быть добавлена возможность пользовательских логических функций.
Задача ввода данных правильно в числовое реле становится гораздо более сложной задачей, чем раньше, что добавляет возможность совершения ошибки. Точно так же объем данных, которые должны быть записаны, намного больше, требуя большего объема памяти.
Проблемы были решены с помощью программного обеспечения для автоматизации подготовки и загрузки данных настройки реле с портативного компьютера, подключенного к порту связи реле. Как часть процесса, данные настройки могут быть считаны с ретранслятора и сравнены с желаемыми настройками, чтобы гарантировать, что загрузка была безошибочной.
Копия установочных данных (включая пользовательские логические схемы, где они используются) также может храниться на компьютере. Затем их можно распечатать или загрузить в базу данных пользователя.
Вернуться к основному указателю ↑
3. Тестирование реле и ввод в эксплуатацию
Числовые реле выполняют гораздо больше функций, чем предыдущие поколения реле, поэтому их тестирование более сложное. Ввод в эксплуатацию обычно ограничивается запуском встроенной самопроверки программного обеспечения, подтверждая правильность токов и напряжений, измеренных реле, и выполняет подмножество функций защиты.
Любые проблемы, выявленные такими испытаниями, требуют специального оборудования для решения, поэтому проще заменить неисправное реле и отправить его на ремонт.
Рисунок 9 - Проверка качества печатной платы с числовым реле
Вернуться к основному указателю ↑
Ссылка // Руководство по защите сети и автоматизации от Alstom Grid