ОМИКРОН ОМИКРОН ОМИКРОН
Система Orphus

Комплексное испытание. Переход от испытаний уставок защиты к испытанию систем РЗА

Флориан Финк

При вводе в эксплуатацию и испытаниях систем РЗА имеется множество методов и схем испытаний. Выбор правильных и наиболее подходящих методов и схем испытаний позволяет инженерам РЗА свести к минимуму отказы в работе системы защиты и обеспечить защиту оборудования и стабильную работу сети.

Для этого инженерам и техническим специалистам необходимо определить возможные причины отказов в процессе работы. Когда причины будут выявлены, можно сосредоточиться на требованиях к проведению испытаний. Как и в любой другой сложной системе, в данном случае практически невозможно предусмотреть и устранить все виды отказов в работе. Здесь может помочь статистика отказов, в которой содержатся данные почти обо всех известных отказах в работе систем на сегодняшний день, а также сведения о частоте их возникновения. Вот почему Совет Североамериканских штатов по надежному обеспечению электроэнергией (NERC) составил подробную статистику отказов в процессе работы систем защиты [1]. Специалисты вышеупомянутой организации проанализировали повреждения в системах защиты Северной Америки в период с 2011 по 2013 год и опубликовали результаты этого исследования. Хотя первоначально результаты были получены на региональном уровне, их можно применить к европейским и азиатским странам, поскольку системы в регионах работают по схожему принципу.
В этой статье рассматриваются причины отказов работы системы защиты, установленные в ходе исследования NERC. Кроме того, здесь описаны методы испытания, которые можно использовать для обнаружения возможных отказов. Помимо проверки системы, здесь также рассказывается о новом методе испытания, основанном на более комплексном подходе к проверке систем защиты.

 

Рис. 1. Специалисты NERC проанализировали неполадки в системах защиты в период с 2011 по 2013 год на предмет возможных источников отказов и систематизировали частоту их появлений.

Изучение причин
Статистика отказов, опубликованная советом NERC, содержит подробную схему возможных нарушений в работе систем защиты (рис. 1). По этим данным можно сделать два важных вывода.

  • Даже отдельный компонент системы защиты может привести к нарушению в ее работе.

Проблемы могут быть связаны со схемой защиты, интерфейсом подключения, питанием и самим защитным реле.

  • Наиболее вероятными причинами отказов в работе являются неправильные настройки защитного реле в сочетании с ошибками в логике и ошибками проектирования.

Изменения в системах защиты
Появлению отказов в работе систем способствовала не только все более острая потребность в сокращении расходов, но и изменение требований к системе защиты за последние годы. Не так давно для защиты сетей использовали электромеханические реле, которые защищали системы передачи электроэнергии с помощью аналогового оборудования и двоичных схем. Конечно, электромеханические реле даже сегодня все еще встречаются в некоторых установках, но с появлением цифровых технологий для защиты сети начали использоваться многофункциональные цифровые защитные реле. Современные защитные реле обладают целым рядом преимуществ. Ранее для разных защитных функций необходимо было устанавливать несколько устройств, а сегодня эти функции может выполнить одно устройство. Современные защитные устройства, соответствующие стандарту МЭК-61850 и работающие по предусмотренным им протоколам, легко подключать друг к другу самыми разными способами. В то же время при подключении устройств между собой появляется возможность создавать конфигурации системы защиты, которые раньше были немыслимы или, по крайней мере, нерентабельны из-за высоких затрат. Кроме того, цифровые защитные реле позволяют настраивать такую же логику, как в программируемом логическом контроллере (PLC), которая повышает степень автоматизации. В условиях сложных проблем основным критерием является повышение децентрализации энергоснабжения. Современные цифровые защитные реле позволяют настроить сотни различных параметров в соответствии с требованиями заказчика. Тем не менее из-за обширной функциональности логики и большого количества параметров пользователям становится все сложнее правильно настраивать системы. При этом по результатам исследований организации NERC четко прослеживается, что одними из наиболее частых причин отказов работы систем защиты являются неправильные настройки реле защиты, а также логические ошибки и ошибки проектирования.

Вместе с испытательными комплектами и программным обеспечением разрабатываются и современные технологии испытаний. Тем не менее за это время суть испытаний почти не изменилась. Типичный процесс испытания включает в себя вывод линейно изменяющихся величин различных сигналов (напряжения, частоты, сопротивления и т. д.) с целью проверки параметров срабатывания в реле. Вначале эти испытания были рассчитаны на обслуживание электромеханических реле, требующих проверки параметров настройки через равные промежутки времени. Такие электромеханические реле подвергались воздействию факторов внешней среды (таких, как температура или загрязнение), что влияло на работу механизма системы.
Следующее испытание — это статический вывод последовательностей аналоговых сигналов на защитное реле и последующая оценка срабатывания системы защиты. Такие последовательности состоят хотя бы из двух состояний: предаварийного и аварийного. Для более сложных испытаний (например, для автоматического повторного включения) такие последовательности могут быть довольно долгими и запутанными.
Тем не менее автоматизированные испытания с использованием плана испытаний, предусмотренного в ПО OMICRON Control Center и библиотеке Protection Testing Library, в принципе, значительно упрощают процесс испытания. С их помощью специалист по испытаниям систем защиты сможет автономно испытать каждую защитную функцию и дать точную оценку состояния. Однако перекрывающиеся функции защитных устройств затрудняют этот процесс или делают его невозможным. В результате специалисту ничего не остается, кроме как отключить защитные функции, а потом включать их по отдельности. Этот процесс практически предопределен для отказов, вызванных эксплуатационными ошибками, о чем свидетельствует исследование NERC: при испытании отказов в работе системы защиты на измененные или неверные параметры приходится около девяти процентов всех проблем.
В связи с этим, несомненно, возникает вопрос о том, насколько оправдывает себя в настоящее время подробное испытание порогов чувствительности и погрешности срабатывания цифровых защитных реле. Современные устройства оснащены встроенной функцией самоконтроля, и их работа четко детерминирована. Не будет ли целесообразнее сосредоточиться на правильной параметризации и надежности всей системы согласно ее требованиям?

Рис. 2. Существует ряд испытаний системы защиты, но они охватывают совершенно разные области.

Переход к испытаниям систем
Чтобы гарантировать правильную работу системы защиты, все компоненты должны работать вместе. Недостаточно просто испытывать компоненты по отдельности, изолировано друг от друга. Нужно по возможности проводить испытания перекрывающихся функций.
Вот простой пример, иллюстрирующий именно такую ситуацию: при наладке были испытаны трансформаторы тока, а клемма заземления была проверена с помощью соответствующей электрической схемы. Затем для испытания защитного реле использовались настройки полярности, указанные в документации трансформатора тока. Оба компонента прошли испытания при независимой проверке, но настройка полярности на защитном реле была абсолютно неправильной. Вот почему при вводе в эксплуатацию в первую очередь следует обеспечить правильное воспроизведение аналоговых значений из основной системы на защитных устройствах при передаче их через преобразователь и вторичные системы.
Это испытание также называют системным. Здесь для испытания соответствующего окончательного результата (направления электрического тока в реле защиты) используются реалистичные сценарии нарушения функциональности всей системы (подача тока в первичную цепь). Действующую систему можно представить как своего рода черный ящик.

Та же проблема возникает и при испытаниях системы защиты. Для предварительной оценки на соответствие техническим условиям или проектирования защитного реле крайне важно испытать отдельные защитные функции и пороги чувствительности. Тем не менее в ходе испытаний в энергосистеме основное внимание необходимо уделять правильности функционирования всей системы защиты (рис. 2).

Моделирование основной системы
Основной задачей системы защиты является защита первичного оборудования. Моделирование первичной сети с помощью испытательного программного обеспечения, такого как RelaySimTest, упрощает процесс испытания и повышает его эффективность.
В этом случае смоделированная основная система помогает специалисту по испытаниям систем защиты создавать реалистичные сценарии испытания. Кроме того, она автоматически вычисляет выводимые значения. Этот новый метод открывает новые возможности для специалистов по испытаниям систем защиты.

 Повреждения, вызванные конструкцией системы защиты, можно  легко обнаружить с помощью системного испытания защиты и соответствующего  моделирования функций установки
Рис. 3. Повреждения, вызванные конструкцией системы защиты, можно легко обнаружить с помощью системного испытания защиты и соответствующего моделирования функций установки.

Контролируемые реалистичные сценарии повреждений
Разработка, планирование и построение концепции защиты определяются на основе потока мощности, подключенных нагрузках и сценариев повреждений, созданных с помощью программ расчета сети. Используя простое программное обеспечение для моделирования сети, специалисты по испытаниям систем защиты могут проверить в эксплуатационных условиях, правильно ли работает схема защиты с данными текущей установки. Таким образом можно полностью контролировать качество процесса проектирования (рис. 3).

Связь важна как никогда
В результате повышения уровня автоматизации вторичных систем все более важной становится роль подключения между соответствующими компонентами (включая системы защиты). Надежная связь играет определяющую роль при использовании таких технологий, как дифференциальная защита линии или взаимная блокировка по протоколу GOOSE в соответствии со стандартом МЭК-61850. Поэтому все большее значение приобретает совместное испытание систем защиты и средств связи, в частности в случае распределенных схем со множеством испытательных комплектов. Пользователей иногда отпугивает сложность этого процесса, так как они в первую очередь должны разработать и рассчитать надлежащие шаги испытания. В связи с этим крайне важно, чтобы каждый испытательный комплект контролировался опытным специалистом по испытаниям систем защиты. Многие рабочие этапы этого процесса можно упростить с помощью ПО RelaySimTest. Оно позволяет управлять несколькими испытательными комплектами CMC из одного приложения. Если для этой цели нет прямого Ethernet-подключения, специалисты по испытаниям систем защиты могут получить доступ к подключению через облако в Интернете. Центральное приложение вычисляет все выводимые значения, взяв за основу смоделированную основную систему, и передает их на несколько испытательных комплектов CMC с синхронизацией по времени. Срабатывание системы защиты записывается, и специалист по испытанию систем защиты получает все результаты непосредственно на месте проведения испытаний, после чего может их оценить. Эту систему можно использовать для многих методов испытания систем защиты. К ним относятся:

  • защита системы сборных шин [2] — централизованная и децентрализованная;
  • дифференциальная защита линии или дистанционная защита со сравнением сигналов [3] — в том числе с дополнительными тупиковыми линиями (Рис. 4);
  • схемы защиты на базе стандарта МЭК-61850 — например, взаимная блокировка.

От логики к простоте
Испытание функциональности логики защитных реле всегда сопряжено с определенными проблемами. Для этого сложные последовательности параметризуются, чтобы по возможности соответствовать всем условиям логики. Это испытание скорее абстрактное, чем реалистичное. В данном случае испытание системы дает решение и реалистичные сценарии. С помощью одной из основных функций приложения RelaySimTest, итеративной обратной связи [4], выполняется адаптация модели основной системы путем включения в нее откликов, поступающих от системы защиты. Это означает, что реалистичные сценарии повреждений генерируются автоматически, позволяя, таким образом, оценивать функциональность логики. Практическими примерами применения являются:

  • автоматические повторные включения;
  • сбой работы прерывателя цепи и окончательная защита от ошибок [5].

Испытание переходных сценариев
Все больше защитных функций испытывается с помощью реалистичных переходных значений, чтобы обеспечить надлежащую работу системы. Переходной сетевой модуль в ПО RelaySimTest также автоматически моделирует сигналы, что облегчает испытание сложных защитных функций:

  • насыщение ТТ;
  • переходные и перемежающиеся замыкания на землю;
  • адаптивные защитные функции;
  • повреждения с различными углами и наложением апериодической составляющей.

Высокий уровень квалификации специалистов по испытанию систем защиты
Специалисты по испытаниям систем защиты обычно прекрасно разбираются в функциях защитных устройств вплоть до малейших деталей. Но если они не могут связать их с основной системой, то не могут и гарантировать полноценного функционирования защиты. По этой причине очень важно, чтобы специалисты по испытанию систем защиты обладали фундаментальными знаниями о функциональности системы, подлежащей защите. Только эти знания позволят всесторонне оценить систему защиты. Необходимую информацию можно получить в процессе разработки, планирования и проектирования. Если специалисты по испытанию систем защиты имеют доступ к номинальным и паспортным данным основной системы, они смогут испытать защиту системы с помощью ПО RelaySimTest. Кроме того, они могут включить в испытание текущие значения измерений, полученные при вводе в эксплуатацию. Например, после измерения импеданса линии с помощью CPC и CU1 можно использовать результаты в ПО RelaySimTest или добавить в RelaySimTest моделирование поведения трансформаторов тока в переходном режиме, полученные с помощью CT Analyzer. В итоге специалисты по испытанию систем защиты получают результаты испытания, в том числе анализа, который свидетельствует о надлежащей работе системы защиты для реалистичных сценариев.

Рис. 4. Настроить распределенное испытание системы защиты изначально довольно сложно, но процедура испытания в целом упрощается благодаря интеллектуальным возможностям ПО RelaySimTest.

Правильное средство для каждого этапа работы
Конечно, системный метод испытания системы защиты не заменит испытание настроек и значений срабатывания. Тем не менее, он дополнит существующие возможности, поможет испытать перекрывающиеся функции защитных устройств, а также уменьшить затраты (рис. 4).



[1] Protection System Misoperations Task Force, "Misoperations Report," North American Electric Reliability Corporation (NERC), Atlanta, 2013.
[2] Fink, Hensler, Trillenberg, Köppel, "Systemorientierter Ansatz für die Prüfung eines verteilten Sammelschienenschutzes" [System-based approach for testing distributed busbar protection], Netzpraxis 12-2014
[3] Büdenbender, Mächtel "Effiziente simulationsbasierte Prüfung eines verteilten Schutzsystems" [Efficient simulation-based testing of a distributed protection system], OMICRON User Conference 2015
[4] OMICRONenergy, www.youtube.com, OMICRON electronics, 1 апреля 2015 г. [в Интернете]. Доступно по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=a_lRgJ9_Gcc.
[5] Pritchard and Hensler, "Test and verification of a busbar protection using a simulation-based iterative closed-loop approach in the field" in Australian Protection Symposium, Sydney, 2014.
[6] Pritchard, Costello, Zimmerman, "Moving the Focus from Relay Element Testing to Protection System Testing", PAC World Conference Raleigh 2015

Об авторе

Флориан ФинкФлориан Финк родился в 1983 году в Германии, в городе Бергиш-Гладбах. Он изучал электротехнику в Университете прикладных наук в Кельне, где получил диплом инженера в 2009 году. С 2009 по 2012 год он работал инженером проектов в германском филиале компании Cegelec, а с 2012 по 2013 год — инженером по планированию в компании InfraServ Knapsack. С 2013 года он работает программным инженером по исследованию технологий защиты в отделе управления продукцией компании OMICRON Electronics.
florian.fink@omicronenergy.com

2 Август, 2016              1347              ]]>Печать]]>
2 / 3 ( Плохо )

Добавить комментарий

Ваше имя

Текст

Контрольный вопрос

Dвa pлюs тpi ? (цифрой)

Вверх страницы