Библиотека

Релейные защиты

Автор: Mladen Kezunovic

Перевод: Лысенко В.В.

Источник: http://www.ece.tamu.edu/~pscp/relay.htm

ВВЕДЕНИЕ

Отмена госконтроля электроенергетики и быстрое увеличение цифровых электронных устройств серьезно затронуло деятельность энерговырабатывающих компаний. Технические отделы, в частности должны иметь дело с возрастающим уровнем как существующих требований так и с появлением новых требований к защитам. Такая обстановка создает много новых требований для инженеров-релейщиков. Новая деловая политика, внедрение микропроцессорных реле, быстрое увеличение интеллектуальных устройств, более высокий акцент на качество электроенергии и нехватка персонала - среди главных. В результате инженеры все больше и больше должны опираться на использование передовых технических средств, чтобы выполнить свои ежедневные задачи. Эта статья описывает несколько таких инструментов, разработаных в Texas A&M University's Power System Control and Protection Laboratory.

ИСТОКИ

За прошлые годы научные исследования цифровых моделей для тестирования реле привели к развитию нескольких конфигураций: (полная) модель с обратной связью (Kezunovic в статье 1), и расширенная малозатратная модель тест-реле (Kezunovic и Galijasevic в статье 2). Главные особенности этих инструментов - гибкость аппаратных средств, автоматизация задач, легкость в использовании GUI и простая интеграция с другими приложениями.
        Начальное исследование в области автоматизированного анализа ошибки привело к экспертной системе (Kezunovic в (3)). После успешного офлайнового тестирования система была установлена на подстанции Reliant Energy HL&P в системе передачи, где она работала с 1995. Впоследствии, было разработано новое поколение системы, чтобы иметь дело с многоканальными цифровыми регистраторами аварий и облегчить архивирование данных. GUI был также добавлен, чтобы упростить установку системы и визуализацию результатов, (Kezunovic (4)). Последнее поколение системы было разработано, чтобы объединить анализ данных, архивацию (запись) и передачу данных через единую систему (Sevcik в al (5)).
        Моделирование и отладка системы защиты и ее компонентов - последний инструмент, который был добавлен к нашему набору релейной защиты. Это позволяет релейщикам вносить данные в реле очень простым и эффективным способом при использовании моделей электроэнергетической системы (Kezunovic и Kasztenny (6)). Компоненты электрической системы и их параметры находятся в библиотеках, которые могут быть изменены и добавлены пользователями. Это позволяет смоделировать и сымитировать сложную электрическую систему и ее защиту включая использование многофункциональных реле и терминалов. Программная среда очень гибка и поддерживает взаимодействие с внешними пакетами программ.

ОСНОВАННАЯ НА ПК ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РЕЛЕ

Как правило, тестирование реле выполненяется, используя векторные методы и обычные испытательные установки. Из-за их низкой цены и простоты, эти методы особенно удовлетворяет текущему тестированию, нацеленному на подтверждение параметров настройки реле. Однако, некоторые технические задачи могут потребовать более полной оценки реле(например, выбор реле для определенного использования, подтверждение заданных параметров на другом реле и анализа неправильной работы реле).
        Чтобы удовлетворить новые потребности, было создано множество цифровых моделей. Модель с обратной связью обеспечивает очень реалистические испытательные условия, но большинство пользователей не могут использовать такой сложный инструмент. Альтернатива для них - модель с разомкнутой обратной связью, которая выполняет переходное тестирование, используя испытательные сигналы, смоделированые/записанные заранее. Было предложено множество проектов, но большинство из них или слишком дороги или нефункциональны. Недорогая но функциональная модель описана здесь.

Требования

Первый перечень требований проекта стремится минимизировать стоимость и преодолеть пределы существующих устройств защиты:

• Устройство защиты (смоделированое) должено быть персональным компьютером (PC) из-за его популярности, цены и функциональности.
• Аппаратные средства устройства должны быть взаимозаменяемыми, а используемые испытательные установки современные.
• Программное обеспечение устройства должно быть коммерчески доступным и не должно нуждаться в существенных инвестициях.
• Прикладное программное обеспечение должно поддерживать горизонтальную и вертикальную мобильность через различные платформы.

Второй набор требований проекта был ограничен некоторыми специфическими особенностями применения испытуемых реле:

• Устройство должно работать одно без обратной связи, но чтобы c будущим его развитием можно было использовать способ в реальном времени.
• Устройство должено быть в состоянии использовать и делал запись (DFRs) и моделировал формы волны (EMTP).
• Должен быть обеспечен удобный в работе GUI для обработки полученых сигналов и визуализации результатов испытаний.
• Должна поддерживаться интеграция с внутренними или внешними переходными программами моделирования.

Проект/Исполнение

Этот пункт описывает модель устройства, выполняющего требования, определенные выше (4). Архитектура этой модели изображена на рис.1.

Рисунок 1 — Архитектура модели устройства

Архитектура аппаратных средств учитывает взаимозаменяемые аппаратные средства продукции. Таблица показывает техническую спецификацию двух обычно используемых вариантов (эксперементальное устройство реле и обычный цифро-аналоговый преобразователь, разработанный в Texas A&M University).

Таблица 1 - особенности аппаратных средств ввода/вывода

Главный элемент архитектуры программного обеспечения - эксперементальное программное обеспечение под названием "Помощник Реле". Он состоит из четырех уровней:

• Модули для эксперементального формирования позволяют читать различные файлы записаных сигналов (COMTRADE, ATP, MATLAB, родной DFR) и моделировать произвольные сигналы.
• Модули для обработки формы сигнала позволяют изменение формы сигнала (вырезать/вставить, копировать, обрезка, вставка, перемасштабирование, восстановление, инвертирование, предаварийное расширение и т.д.).
• Модули GUI позволяют легкое использование функций устройства (просмотр формы сигнала, результатов испытаний, редактирование эксперементальных отчетов, работа с сигналом , и т.д.).
• Модули для воспроизведения сигнала , которые включают в себя драйверы для поддержанния различных аппаратных средств ввода / вывода.

Рис. 2 изображает интеграцию с ATP (Альтернативная Переходная Программа) и ATPDraw (Draw - программа для начертания) используя специальную добавочную опцию. Интеграция сделана через модуль под названием BGEN, и это дает возможность автоматической генерации сигнала и выполнение пакетных последовательностей, состоящих из сотен или тысяч отдельных тестов.

Рисунок 2 — Итерфейс модели со встраиваемыми инструментами

АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АВАРИИ

Автоматический анализ аварии может облегчить оценку повреждения и показать его местоположение, таким образом это делает действия по его устранению своевременными и правильными . Такие решения могут обеспечить детализированный анализ всей системы в течение секунд после возникновения аварийного случая. Системы SCADA не могут предложить такие функции, так как они испытывают недостаток в подробных данных во время переходного процесса и при коммутациях. Однако, благодаря расширяющемуся использованию Интеллектуальных Электронных Устройств (IEDs) такие системы могут быть построены, используя быстродействующую передачу данных и современные программные подходы. После того, как в середине 80-х возникла идея автоматического анализа аварии, было предложено много решений (4). Одной из лучших которые мы знаем является система, представленная здесь, она одна из немногих, которая предлогает полностью автоматический режим (5) при ликвидации повреждения.

Требования

Проект системы был главным образом ограничен целью достигнуть высокой степени гибкости. Эта часть обрисовывает в общих чертах самые важные требования

• Та же самая архитектура должна быть конфигурируемой для разнообразия прикладных задач и ситуаций
• Система должна быть в состоянии импортировать данные из различных цифровых регистраторов повреждений (DFRs)
• Анализ должен включать оценку следующего: особенности повреждения, операция системы защиты и местоположение повреждения
• Модули для анализа повреждения должны быть универсальными, интеллектуальными, гибкими и взаимозаменяемыми
• Данные о повреждении и архивное сообщение и поиск должны быть централизованы и автоматизированы
  
• Распространение сообщений о случае должно быть автоматизировано и настроено
• Время ответа системы должно быть минимизировано в каждой возможной ситуации

Проект/Исполнение

Новая архитектура использует парадигму клиент-сервер (рис. 3). Клиент осуществляет анализ случая и обработку данных. Сервер осуществляет архивацию данных и распространение сообщений о случае повреждения. Эта архитектура распределена, поскольку Клиенты могут быть в различных местах (подстанции, области, и т.д.). Архитектура состоит из: Прикладного Слоя, Слоя Управления данными и Слоя Представления Данных. Поскольку эти слои свободно связаны, не обязательно, что любой специфический слой функционирует для любого другого слоя, чтобы функционировать должным образом. Поэтому, никакое изменение или проблема в элементах системы (например, добавление или восстановление DFR) не требуют полного закрытия системы.

Рисунок 3 — Архитектура новой системы

Рисунок 4 — Архитектура Клиента

Рис.4 показывает Клиенту детали операции:

• Клиент постоянно подвергает сомнению DFR для новых событий. Когда новый случай обнаружен, Клиент загружает его.
• Клиент использует включенные фильтры формата файла, чтобы извлечь данные случая из родного файла DFR.
  
• Клиент выполняет различную обработку сигнала, чтобы извлечь представительные параметры случая.
• Экспертная система классифицирует случай. Если случай как ошибка, Локатор Ошибки вычисляет местоположение ошибки.
• Сообщение о случае и связанный файл случая посылают на Сервер для дальнейшей обработки.
  

Главные элементы Слоя Управления данными показаны на рис.3. Их функциональные возможности следующие:

• Менеджер Сервера постоянно контролирует поступающие папки для новых сообщений о случае и файлов.
• Анализатор Случая разбирает сообщение о случае и архивирует подходящие данные в базу данных.
• База данных используется для того, чтобы сохранить и систему (конфигурация) и данные случая (файлы и сообщения).
  

Главные блоки Слоя Представления Данных можно также увидеть на рис. 3. Их функциональные возможности:

• Web-сервер отвечает на пользовательские запросы, восстанавливая и готовя запрошенные данные.
• Транслятор посылает данные (файлы, сообщения, страницы) пользователям, которые запрашивали их.
• Система выполняет широкий анализ, используя сохраненные события и данные системы.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИММИТАЦИЯ

Оценка реле обычно выполняется через тестирование и предварительные испытательные инструменты, которые могут очень облегчить эту работу. В некоторых случаях может быть возможность оценить модель реле вместо реального реле. Такой подход призывает к инструментам программного обеспечения, способным к моделированию реле и электрической системы.

Требования

Следующее - главные требования расширения передовых инструментов для моделирования системы и реле:

• Элементы Реле: типовые компоненты реле должны позволить создать различные цифровые модели реле.
• Реле: обычные модели релейной защиты (сверхпоток, импеданс и дифференциал) должны быть доступными.
• Системы Защиты: должно быть возможным моделирование полных терминалов защиты и/или схем.
• Входные Сигналы: специализированные генераторы сигнала и конвертеры файла должны быть доступными.

Проект/Исполнение

Пакет, разработанный в Texas A&M University используя Matlab и SIMULINK, обеспечивает такие способности через пять стандартных составляющих библиотек. Например, библиотека Элемента Реле (рис.5) содержит: Совет по Получению и накоплению данных, Цифровой Фильтр, Цифровые Преобразователи Фурье, Основное Измерение, Отличительное Основанное на уравнении Измерение Импеданса, Универсальный Компаратор, Зональный Компаратор, Вызов Элемента, Симметрические Компоненты и Характеристики Влияния.

Рисунок 5 — Библиотека элементов реле

Используя элементы из Библиотеки Реле, можно быстро смоделировать данное реле (рис.6 показывает модель реле максимального тока). Полноценные модели могут быть сделаны частью существующих или новых библиотек.

Рисунок 6 — Модель реле максимального тока

Модели релейных защит или систем развивались с использованием библиотек могут быть проверены с входными сигналами из одного из следующих источников:

• генераторы сигнала входной библиотеки сигналов.
• Энергосистема Blockset MATLAB.
  
• ATP выход файлы через развитый конвертер файла.
• Файлы переходных процессов с данными через развитый конвертер файла.
  
• Результаты тестирования можно увидеть используя "показ формы волны" или сохранены в файл соответствующего формата.

ВЫВОДЫ

Эта статья показывает три вида технических решений, которые облегчают ежедневные задачи, выполненные релейщиками. Решения включают: цифровые тренажеры, программное обеспечение для автоматического анализа ошибки, и программное обеспечение для моделирования реле и имитации. Используя эти инструменты инженеры могут получить эти преимущества:

• действие РЗ может быть оценено в деталях, используя цифровые тренажеры.
• контроль за действием РЗ может быть облегчен, автоматизируя анализ регистрации DFR.
• выбор реле и его оценка могут выполняться очень быстро используя модели реле.