Русский   English

Реле захисту від перевантаження по струму з використанням Arduino Uno для розподілу і управління відновлюваної електроенергії (РУВЕЕ)

Зміст

Анотація

РУВЕЕ (розподіл і управління відновлюваної електроенергії) це інтелектуальна мережа, яка забезпечує широку інтеграцію між розподілом поновлюваних енергетичних ресурсів (РВЕР) і розподілом зберігання енергії пристрою (РХЕУ) зі звичайною системою розподілу. У цій статті представлені дизайн і реалізація Arduino реле максимального струму на основі мікроконтролерів з різними характеристики (інверсні, посилено інверсні і вкрай інверсні) для системи РУВЕЕ. Модель з відкритим вихідним кодом і з простим використанням як апаратного, так і програмного забезпечення. Практична друкована плата розроблена з урахуванням вхідного і вихідного моніторингу і захисту ділянки підключення твердотільного трансформатора (ТТ) до замкнутого контуру зони в системі РУВЕЕ. Спеціальна програма розроблена за допомогою програмного пакету Proteus і легко інтегрується в апаратну карту. Щоб перевірити запропоноване інверсне, посилено інверсне і вкрай інверсне реле максимального струму, характеристики тестуються з використанням пропонованої системи симулятора і порівнюються з характеристикою, записаною загальновідомим стандартом МЕК 60255-151. Щоб гарантувати ефективність системи, практична схема, включаючи пропоноване реле, підключена до невеликому навантаженні (двигун) і зазвичай перевіряється зворотна характеристика реле. Запропонована схема захисту доводить високу продуктивність і точні результати.

Вступ

У 2008 році Національний науковий фонд (ННФ) сформував нові інтелектуальні мережі з підтримкою інноваційних засобів, які називаються системою РУВЕЕ для інтеграції зелених РВЕР, РХЕУ і традиційних енергосистем. Нова форма мережі призводить до кращого використання збереженню енергії і високої надійності системи [1-3]. Головні компоненти системи РУВЕЕ показані на рис. 1[2]. Пристрій виявлення несправностей (УОН), інтелектуальне виявлення несправностей (ІОН) і напівпровідникові трансформатори (ПТ) є трьома новими основними оборудованіямі в системі РУВЕЕ, які покращують захист мережі і якість електроенергії. Основна перевага трьох обладнань – вони є статичними елементами, контрольованими за допомогою цифрового управління замість звичайного обладнання. ТТ – це твердотільні тиристори або транзистори певного типу, керовані цифровими сигналами замість звичайних електромагнітних трансформаторів. На додаток до контролю напруги і фазовий зсув між напругою і струмом, дозволяє потужності протікати в обох напрямках. Це має можливість обмежити похибка струму до 2,0 у.о. зменшенням напруги [3-5]. УОН – нове статичне обладнання, що використовується для відключення і ізоляції високих значень асиметричних струмів від пошкоджень протягом мікросекунд замість нормальних електромеханічних вимикачів, які відключають за мілісекунди [2], [5]. Інтелектуальне управління енергією (Іуе) і інтелектуальні схеми, хто може знаходити проблеми та перешкоди (ІСУОН) об’єднані в системі БДВЕУЕ для досягнення ефективного потоку енергії, швидкого виявлення та усунення неполаднань [4].

Замкнутий контур РУВЕЕ призводить до сильного величиною короткого замикання, падіння напруги і потоку потужності в двох напрямках [2]. Пілотно-диференційний захист з використанням зв’язку використовується як первинний захист, здатна виявляти несправності в циклах, тоді як захист від перевантаження по струму використовується в якості резервного захисту в разі проблем і збоїв зв’язку, [1-2]. Реле зі зворотним тимчасової характеристикою максимального струму застосовуються для виявлення несправності в системі, як в [2], [6].

Рисунок 1 – РУВЕЕ топологія і компоненти системи

Покоління реле максимального струму почалося з звичайних електромеханічні реле з подальшим статичним і цифровим реле. Останні два покоління запобігають помилки перерегулирования і зменшують затримку. В даний час, мікропроцесорні та мікроконтролерні реле вводяться в усунення їх недоліків. Це призводить до збільшення потужності захисту системи; найкраща надійність, зменшення впливу на обладнання системи електропостачання і полегшення харчування системи автоматизації. Мікроконтролери працюють з низькою напругою і струмові входи мають гарну стійкість до зміни струму. Вони містять RAM, ROM і інші периферійні пристрої, в той час як мікропроцесори мають тільки CPU [7]. У літературі мікроконтролер Arduino Uno був використаний від перенапруги і захисту від перевантаження по струму простих однофазних систем в [8] і для захисту трансформатора в [7]. Диференціальний захист трансформаторів була запропонована використовувати Arduino з GSM і голосовий схемою в [9]. Автори рекомендували використовувати Arduino замість 8051 мікропроцесора, так як це недорогий пристрій з дуже високою швидкістю і високою точністю. Захисна стратегія була застосована за допомогою контролера Arduino для визначення температури і струму поточної і відключає навантаження при заданих значеннях [10]. Диференціальний захист була застосована з використанням Arduino в [11-13]. Arduino відчуває стан трансформаторів кожну секунду. Якщо він виявить будь-яку помилку, то відправляє команди на автоматичні вимикачі для відключення основного напруги трансформатора. Нарешті, Arduino був використаний для моніторингу і захисту двигунів від перенапруги, перевантаження по струму, перевантаження, надмірного нагріву, відхилення і зниженої напруги [14]. Запропоноване програмне забезпечення було представлено і оновлено о режимі реального часу. Дані енергосистеми з використанням Arduino [15]. Програмне забезпечення використовувалося для розпізнавання і вказівки різних типів станів несправності на основі попередньо встановлених значень, а потім відключення боку навантаження.

У цій статті на основі мікроконтролера Arduino Uno реле максимального струму з різними характеристиками (інверсні, посилено інверсні і вкрай інверсні) призначене для РУВЕЕ системи. Програмний симулятор і апаратна схема розроблені і впроваджені. Розроблена практична друкована плата оснащена необхідними входами і виходами для системи РУВЕЕ. Дружественная програма створена з використанням програмного пакету Proteus і легко інтегрується в апаратну карту. Різні сценарії застосовуються до симулятора для задоволення характеристик трьох типів реле максимального струму і результати порівнюються з характеристиками, записані відповідно до стандарту МЭК 60255-151 [16]. Зазвичай зворотні характеристики реле перевіряються і виконується з використанням практичної схеми.

Постановка задачі

Захист від перевантаження по струму дуже важлива для захисту гілки, що з’єднує ТТ з зонами замкнутого контуру в системі РУВЕЕ, як показано на рис. 2. Розподільна шина може імпортувати енергію з контуру середньої напруги в навантаження поруч з локальної генерацією в разі, якщо потужність генерації менше, ніж підключення навантаження. Аналогічно вона може експортувати енергію в контур середньої напруги. У разі, якщо локальна потужність більше, ніж підключена навантаження. Управління електричними навантаженнями активує ИЦС (інтелектуальна цифрова сітка) блоку РУВЕЕ. ТТ є завжди пі напрямком для виконання функції IEM. З цих причин, в реле максимального струму повинна бути встановлена ​​в зв’язок між ТТ і циклом РУВЕЕ, як показано на рис. 2.

Рисунок 2 – Резервні блоки захисту

Блок резервного захисту системи РУВЕЕ складається з з трьох основних схем захисту від перевантаження по струму, підвищеної / низькою схеми напруги і диференціальної захисту, як пояснено на рис. 2. У цій статті новий дизайн реле максимального струму з використанням мікроконтролера Arduino. Пропонована конструкція має дуже низьку вартість, високу швидкість і високу точність. Використовуваний мікроконтролер Arduino досить ефективний і простий для програмування. Результати, отримані з запропонованого реле порівнюються зі значеннями, отриманими зі стандартними характеристичними кривими МЕК в трьох режимах операції (нормальний, посилено інверсний, вкрай інверсний) і показують незначність помилок.

Пропонований метод

Схема захисту від надструмів пропонується згідно блок-схемі на рис. 3, а блок-схема на рис. 4. Апаратний мікроконтролер Arduino використовується для завантаження програмного забезпечення, розробленого через пакет Proteus з використанням мови C. Програмне забезпечення створено для задоволення різних характеристик реле максимального струму (інверсні, посилено інверсні і вкрай інверсні), які необхідні для захисту системи РУВЕЕ. Наступні стандартні характеристики моделюються в програмі відповідно до таких рівнянь:

де

  • T – час роботи реле,
  • IТ – значення струму ушкодження,
  • IY – поточне значення уставки,
  • M – кратність струму,
  • K1, K2 – параметри, пов’язані з набором кривих (інверсні, посилено інверсні і вкрай інверсні т.д.) ..

Значення струму, що протікає від харчування до навантаження, сприймається трансформатором струму з ефектом Холла. Поточний сигнал перетвориться в постійну напругу з використанням резистивного шунта до мікроконтролеру. Вироблений сигнал напруги, який пропорційний цьому поточного значення, подається на мікроконтролер Arduino Uno. Сигнал напруги варіюється в залежності від фактичного значення струму в головній ланцюга. Якщо значення струму перевищує задане значення, вихідний сигнал генерується для відключення твердотільного перемикача навантаження і відображає ток несправності на ЖК-дисплеї.

(а) структурна схема реле максимального струму

(b) принципова електрична схема струму

Рисунок 3 – Пропоноване реле максимального струму з використанням контролера Arduino Uno

Процес пропонує запропоновану методику показує, як блок-схеми на рис. 4 і може бути обобщений наступним чином:

  1. Виберіть значення K1, K2 відповідно до необхідних режимів роботи, відрегулювавши сопротивлення R1;
  2. Виберіть значення режиму TDS з набором часу, використовуючи перехідне сопротивлення R2;
  3. Подайте коротке замикання на нагрузку. Значення короткого замикання виділяється при використанні перемененого сопротивлення параллельно нагрузке;
  4. Розрахуйте множитель M, використовуючи (2), і визначте час роботи, використовуючи (1);
  5. Виявіть характеристичні криві для різних режимів, використовуючи відповідні знання М і Т;
  6. Порівнюйте характеристичні криві для різних режимів із стандартними характеристиками IEC для визначених TDS.

Пропоноване моделювання ланцюга і результатів

Три сценарії моделюються для інверсних, посилено інверсних і вкрай інверсних характеристик реле максимального струму при різних значення TDS.

А. Сценарій-1: моделювання нормального інверсного реле

Процедура, яка використовується для застосування цього сценарію, може бути зібрана в наступні кроки:

  1. Виберіть нормальне зворотне реле максимального струму, використовуючи режим кнопка, показана на рис. 4;
  2. Виберіть TDS рівним 0,05 за допомогою кнопки TDS;
  3. Використовуйте різні значення змінного короткого замикання опір R4 для зміни струму пошкодження IF;
  4. Отримати різні значення як струму ушкодження, так і час роботи відповідно до значень R4;
  5. Розрахуйте значення множників для обраних значень;
  6. Намалюйте запропоноване нормальне зворотне реле характеристик, як на рис. 5;
  7. Застосуйте ті ж значення множників до звичайного зворотному реле, зазначених в МЕК 60255-151 та порівняйте його характеристиками щодо запропонованої, як на рис. 5;
  8. Розрахуйте процентну помилку для кожного значення, як в таблиці 1.

Можна помітити, що пропонована вкрай інверсна характеристика реле максимального струму практично збігається зі стандартом IEC, як показано на рис. 5. Реалізуються невеликі помилки, як показано в таблиці 1.

Рисунок 4 – Принципова схема для сценарію 1 з TDS = 0,05

Таблица 1 – ARDUINO мікроконтролерні компоненти
If,(A) 53 70 107 162
Ipickup,(A) 33 33 33 33
# 1.61 2.21 3.24 4.91
Час роботи по Arduino,(c) 0.71 0.46 0.29 0.22
Час роботи по IEC,(c) 0.72 0.47 0.3 0.23
Помилка,(%) 0.01 0.02 0.03 0.04

Рисунок 5 – Пропонована зворотна характеристика реле максимального струму при TDS = 0,05 у порівнянні зі стандартом IEC з використанням симулятора

B. Сценарій-2: моделювання посилено інверсного реле максимального струму

Другий режим посилений може бути отриманий зміною режиму кнопкою. Типова схема цього режиму показана на рис. 6. Ті ж кроки, які використовуються в сценарії 1, повторюються і виходять посилено інверсними. Значення характеристик реле максимального струму зведені в таблицю 2 і намальовані на рис. 7. Відсоток помилок для кожного короткого значення схеми розраховано і зведено в таблицю 2. Слід зазначити, що запропонована характеристика дуже зворотного реле максимального струму майже збігається з характеристикою стандарту МЕК з дуже маленькою помилкою.

Рисунок 6 – Принципова схема для сценарію 2 з TDS = 0,05

Таблица 2 – ARDUINO мікроконтролерні компоненти
If,(A) 53 70 107 162
Ipickup,(A) 33 33 33 33
# 1.61 2.21 3.24 4.91
Час роботи по Arduino,(c) 1 0.6 0.29 0.17
Час роботи по IEC,(c) 1 0.6 0.3 0.17
Помилка,(%) 0 0 0.03 0

Рисунок 7 – Пропонована зворотна характеристика реле максимального струму при TDS = 0,05 у порівнянні зі стандартом IEC з використанням симулятора

С. Сценарій-3: моделювання вкрай інверсного реле максимального струму

Цей режим можна отримати, вибравши третій режим крайній Інверс. Типова принципова схема для цього режиму показана на рис. 6. Аналогічно двом вищезгаданим сценаріями, характерні значення обчислюються для вкрай інверсного реле максимального струму, а також табулірует і малюються. З рис. 7 видно, що запропонована надзвичайна характеристика зворотного реле максимального струму також збігається з характеристиками, отриманих зі стандарту МЕК з невеликими помилками, наведені в таблиці 3.

Рисунок 8 – Пропонована зворотна характеристика реле максимального струму при TDS = 0,05 у порівнянні зі стандартом IEC з використанням симулятора

Таблица 3 – ARDUINO мікроконтролерні компоненти
If,(A) 162 107 70 53
Ipickup,(A) 33 33 33 33
# 4.91 3.24 2.21 1.61
Час роботи по Arduino,(c) 0.17 0.42 1.13 2.42
Час роботи по IEC,(c) 0.18 0.43 1.13 2.42
Помилка,(%) 0.05 0.02 0 0

Рисунок 9 – Запропоновано вкрай зворотна характеристика реле максимального струму при TDS = 0,05 у порівнянні зі стандартом IEC з використанням симулятора

Висновок

Реле максимального струму було розроблено з використанням мікроконтролера Arduino Uno. Програмне забезпечення було створено через пакет Proteus з використанням мови С. Для забезпечення можливості пропонованих характеристик реле захисту від надструмів до гілки системи РУВЕЕ, програмний симулятор і плата, була розроблена схема вироби. Програмний симулятор був сформований для імітації нормальної инверсной, посилено инверсной і вкрай инверсной характеристик. Апаратна схема була виготовлена ​​з використанням плати мікроконтролера Arduino, завантажена разом зі створеною програмою і забезпечена входами і виходами для контролю і захисту навантаження двигуна. Три типу реле максимального струму були застосовані до програмного забезпечення симулятора і в порівнянні зі стандартом IEC 60255-151. Пропоновані характеристики реле практично збігаються зі стандартними. Помилка знайдена між 1 і 4% для нормально інверсного і, 3% для посилено інверсного і від 2 до 5% для вкрай інверсного реле. Зворотні характеристики були перевірені з використанням практичної схеми. Помилки були знайдені від 3,4% до -10,5% в порівнянні зі стандартом IEC 60255-151.

Перелік посилань

  1. A. Huang, FREEDM System - A Vision for the Future Grid, IEEE Power and Energy Society General Meeting, Providence, USA, 25-29 July 2010, pp.1-4
  2. N. Sharma, Novel Directional Protection Scheme for the FREEDM Smart Grid System, M. Sc. Thesis submitted to Arizona State University, August 2015
  3. Электронный ресурс: https://www.freedm.ncsu.edu/
  4. P. Mandava, Design and Development of Protection Schemes for FREEDM Smart Grid Systems, M. Sc. Thesis submitted to Arizona State University, December 2014
  5. O. Vodyakho, et.al., Solid-State Fault Isolation Devices: Application to Future Power Electronics-Based Distribution Systems, IET Electric Power Application, Vol. 5, Issue 6, July 2011, pp. 521–528
  6. M. F. Kotb, M. El‐Saadawi, E. H. El‐Desouky, Protection Coordination Optimization for Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM) System, Journal of Electrical Engineering JEE, USA, 6(2018), pp. 161-176
  7. A. Agarwal, Overcurrent Protection of Transformer by incorporating IDMT Function with the Help of Arduino Uno Microcontroller, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) Vol.: 03, Issue: 05, May-2016, pp. 1753-1755
  8. S. Bhattacharya, et al. A Novel Approach to Overvoltage and Overcurrent Protection of Simple Single Phase Two Terminal Arduino Uno, International Journal of Electrical Engineering, Volume 10, Number 1, 2017, pp. 97-110
  9. K. B. Trivedi, C. Vibhkar, R. Sardhara, Differential Protection of Transformer Using Arduino with GSM and Voice Circuit, International Journal of Novel Research and Development (IJNRD) Volume 2, Issue 4 April 2017, pp.95-100
  10. R. B. Pandhare, et. al. Transformer Protection by Using Arduino with GSM Modem, International Journal of Research in Advent Technology (IJRAT), Special Issue National Conference CONVERGENCE 2017, 09th April 2017, pp. 119-123
  11. I. Sharma, T. Patel, D. Tailor, Differential Protection of Transformer Using Arduino, International Journal of Innovative and Emerging Research in Engineering Volume 3, Issue 7, 2016
  12. S. N. Syed, S. Radhika, M. N. S. Rani, Differential Current Protection of Transformer Using Arduino with Voice Alert, International Journal of Innovations in Engineering and Technology (IJIET), Volume 6 Issue 2 December 2015 pp. 206-212
  13. A. Naseem, N. Alam, Protection of Distribution Transformer Using Arduino Platform, Science International, Volume: 27, Issue: 1, 2015, pp. 403-406
  14. R. Waswani, A. Pawar, M. Deore, R. Patel, Induction Motor Fault Detection, Protection and Speed Control Using Arduino, International Conference on Innovations in Information, Embedded and Communication Systems (ICIIECS), Coimbatore, India, 17-18 March 2017
  15. A. Verma, S. L. Shimi, Arduino Based Low Cost Power Protection System International Journal of Advance Research, Ideas and Innovations in Technology (IJARIIT), Volume: 2, Issue: 4, 2012, pp. 1-7
  16. IEC 60255-151: Measuring Relays and Protection Equipment–Part 151: Functional Requirements for Over/Under Current Protection, International Electrotechnical Commission, 2009