ОМИКРОН ОМИКРОН ОМИКРОН
Система Orphus

Основные требования к устройствам релейной защиты и управления,предназначенным к применению в современных энергосистемах России

Обеспечение надежной и устойчивой работы Единой национальной электрической сети (ЕНЭС) в определяющей мере связано с функционированием релейной защиты и линейной автоматики (РЗА), предназначенной осуществлять быструю и селективную автоматическую ликвидацию повреждений и анормальных режимов в электрической части энергосистемы. Произошедший за последние годы скачок в развитии средств РЗА определяет необходимость ориентации на широкое внедрение на объектах ЕНЭС систем РЗА на базе интеллектуальных микропроцессорных (МП) устройств. Новые качества и возможности МП устройств, в свою очередь, определяют необходимость внесения корректировок в идеологию построения систем РЗА энергообъектов и соответственно в практику эксплуатации этих систем.

Г.С. НУДЕЛЬМАН ОАО «ВНИИР»

М.Г. ЛИНТ, В.А. ФЕЩЕНКО ОАО «ФСК ЕЭС» Россия vniir@vniir.ru

А.В. ЖУКОВ ОАО «СО – ЦДУ ЕЭС»

Реальностью для России является то, что для систем РЗА в настоящее время предлагается продукция целого ряда производителей, причем как отечественных, так и зарубежных, а не одного, как это было ранее. Ввиду этого возникает необходимость в решении вопросов:

определения технического уровня систем РЗА, удовлетворяющего требованиям ЕНЭС;

разработки типовых проектов с применением МП устройств РЗА различных производителей;

выбора параметров срабатывания и конфигурирования устройств МП РЗА различных производителей;

В докладе рассматривается первая из отмеченных проблем.

Технический уровень устройств МП РЗА (в настоящее время называемых “терминалами” или “интеллектуальными электронными устройствами - IED”) необходимо рассматривать с нескольких позиций:

- Техническое совершенство и надежность функционирования устройств МП РЗА;

- Технологический уровень, определяющий исполнение устройством встроенных в него алгоритмов защиты и автоматики;

- Функциональность устройства МП РЗА;

- Возможность интеграции устройств МП РЗА в другие системы.

Техническое совершенство РЗА, как известно, характеризуется следующими основными параметрами: селективность, чувствительность, быстродействие [1]. Надежность функционирования РЗА определяют надежность срабатывания (при повреждениях в защищаемой зоне) и надежность несрабатывания (при внешних повреждениях и при отсутствии повреждений). Когда речь идет о техническом совершенстве устройств РЗА, главное внимание должно уделяться требованиям в части основных характеристик, которые оно должно обеспечивать. Требования к устройствам МП РЗА должны учитывать условия современного состояния сетей и особенно перспективу их развития. Развитие сетей характеризуется усложнением систем энергоснабжения, ростом влияния нагрузок, подключенных к разным частям системы, внедрением гибких систем передачи переменного тока (FACTS). При отсутствии условий для строительства новых линий передач усложняются режимы работы действующих линий электропередачи, эксплуатация оборудования часто производится в режиме предельно допустимых условий. Внедряются системы производства энергии с помощью распределённых генераторов. Перечисленные факторы, а также ряд других приводят к тому, что системы становятся все более чувствительными к различным нарушениям режима и все менее устойчивыми в работе. Возрастающие требования к РЗА должны обеспечить условия бесперебойного (при любых обстоятельствах) обеспечения потребителей электроэнергией, имеющей высокое качество. Эти требования не должны зависеть от используемых принципов защиты, обеспеченности аппаратными средствами и имеющимся оборудованием.

Требования по быстродействию, чувствительности и селективности схем защиты и устройств МП РЗА должны определяться во взаимосвязи. Параметры, характеризующие техническое совершенство, как правило, находятся в противоречии друг с другом и проектирование системы защиты для каждого отдельного случая выдвигает задачу найти оптимальной компромисс между ними. Решение должно приниматься на основе тщательного изучения всех аспектов, связанных с техническими и экономическими требованиями. Эти требования должны быть основаны на реалистичных долгосрочных прогнозах развития энергосистем и, что особенно важно, исходить из условий обеспечения устойчивости работы системы [2]. Если до последнего времени быстродействие релейной защиты незначительно влияло общее время ликвидации аварийного режима, то с появлением быстродействующих выключателей его роль существенно возрастает. Необходимо стремиться к достижению времён срабатывания основных защит, не превышающих 20 мс (тенденция развития техники РЗА определяет времена срабатывания менее 10 мс.). Поиск путей достижения предельного быстродействия, максимальной чувствительности и абсолютной селективности (при отключении поврежденного объекта, выборе поврежденной фазы и т. д.) должен осуществляться с обязательным учетом тенденций развития энергосистем, совершенствования элементной базы, технологий выполнения вторичных цепей (в первую очередь, измерительных трансформаторов тока и напряжения).

Надежностьсрабатывания инадежностьнесрабатывания системы защиты, как и каждого отдельного IED должна рассматриваться с таких позиций, как:

1. Важность защищаемого объекта энергосистемы для обеспечения надежного электроснабжения потребителей.

2. Влияние защищаемого объекта энергосистемы на устойчивость системы (в том числе, динамическую).

3. Экономические аспекты, связанные с несрабатыванием и нежелательным срабатыванием системы защиты.

Современные IED, по данным зарубежных производителей, имеют показатели надежности срабатывания (коэффициенты готовности срабатывания при повреждениях защищаемого объекта) – в диапазоне 0,94 - 0,98, а показатели надежности несрабатывания (коэффициенты надежности несрабатывания при внешних замыканиях) – в диапазоне 0,97 - 0,997. Эти цифры определяют предполагаемые показатели надежности также и для тех случаев, когда на объекте установлена только одна система защиты. Использование такой конфигурации возможно лишь на тех участках энергосистемы, где нет проблемы устойчивости и где допустимы большие времена срабатывания устройств защиты (схемы дальнего резервирования).

Для защиты объекта или части энергосистемы, где существует проблема устойчивости и требуется высокое быстродействие, выдвигаются требование повышенной надежности срабатывания. В этих случаях рекомендуется использование двух защит, работающих параллельно на исполнительные (отключающие) схемы. Такая конфигурация часто используются в высоковольтных системах передачи электроэнергии.

В отдельных случаях, когда отключение важного элемента системы может поставить под угрозу всю систему, должна использоваться схема с повышенной надежностью несрабатывания. С этой целью используется последовательное соединение двух систем защиты. Такие схемы рекомендуется применять для защиты элементов, отключение которых крайне нежелательно по условиям надежной работы энергосистемы.

Недостаток описанных конфигураций схем с параллельным и последовательным соединением двух защит состоит в том, что они по сравнению с одной защитой обладают соответственно либо пониженной надежностью срабатывания, либо пониженной надежностью несрабатывания. Процесс дерегулирования в электроэнергетике и условия экономической эффективности работы системы выдвигает повышенные требования к характеристикам схем защиты. Имеются предложения по внедрению трех независимых схем защиты, соединенных по принципу «две из трех». Недостаток такой конфигурации состоит в том, что требуется сочетание дополнительных независимых цепей питания, которые в этом случае смешиваются между собой.

Развитие IED позволяет выйти на более высокий уровень построения надежных систем РЗА. Основные пути – дублирование отдельных модулей в терминалах (например, блоков питания, модулей АЦП и др.) и дублирование систем. Последнее позволяет по-новому подойти к проблеме основных и резервных защит ВЛ и объектов подстанций, хотя в определенной мере является отходом от существующей практики и действующих нормативно-технических документов. Уже в ближайшее время найдут широкое применение системы с дублированием устройств, совмещающих в себе функции защиты с абсолютной селективностью и функции защиты с относительной селективностью. Предполагается, что подведение входных воздействующих величин к этим устройствам можно будет осуществить как от традиционных измерительных трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН), так и от новых (оптических или другого принципа действия) измерительных ТТ и ТН.

Практические требования по надежности (срабатывания и несрабатывания) для типичных конфигураций систем и их первичных элементов должны устанавливаться в документации, поставляемой пользователю.

Учитывая тенденцию снижения затрат на обслуживание, а следовательно к сокращению релейного персонала в энергетике, особое внимание необходимо уделять требованиям в части самоконтроля и диагностики.

Технологический уровень. Обязательным условием применения в энергосистемах России микропроцессорных устройств защиты, контроля и управления должна быть гарантия высокого технологического уровня элементов аппаратного и поддерживающего его программного обеспечения, используемых в IED. Это касается как каждой отдельной программной функции защиты, контроля и управления, так и комплектной функциональной структуры, встроенной в конкретное устройство.

В аппаратном плане должны быть установлены требования, предъявляемые к различным составным компонентам МП РЗА, таким как: входные промежуточные трансформаторы, аналогово-цифровые преобразователи, центральный процессор, входные и выходные цепи, средства связи с другими системами.

В программном плане технологический уровень определяет, что базовое ПО должно обеспечивать надежность функционирования устройства во всех режимах работы энергосистемы при всех возможных конфигурациях аппаратных и программных средств. Это, в первую очередь, касается функций защиты и их связи с элементами аппаратного обеспечения (центральным процессором, сигнальными процессорами, аналого-цифровыми преобразователями, блоками памяти и другими). Важно, чтобы никакие элементы устройства не остались без управления даже в случаях экстремальных ситуаций (развитие аварии, различные виды сложных повреждений).

Работа аппаратного и программного обеспечения устройств МП РЗА должна проверяться во взаимодействии с системной средой (первичное оборудование, различные уровни иерархической системы, в которую они входят)

Технологический уровень устройства РЗА должен соответствовать требованиям функциональности, определяемым характеристиками связанных с устройством элементов первичной системы. Для этого необходимо проанализировать особенности режимов работы первичного и вторичного оборудования. Необходимо, например, определить: а) значения величин токов намагничивания шунтирующих реакторов и постоянных времени апериодических составляющих токов; б) сопротивление контактов внешних блок-реле и другого оборудования; в) динамический диапазон изменения всех электрических величин, при котором должна обеспечиваться их правильная регистрация в условиях анормальных режимов в энергосистеме.

Высокий уровень алгоритмической и аппаратной надежности должен обеспечиваться высококачественным тестированием на различных стадиях подготовки устройства, до его практического применения. Все используемые или предлагаемые IED в системе ФСК должны быть подвергнуты тщательным испытаниям на соответствие заявленным техническим параметрам и характеристикам. Испытания должны производиться согласно классификации, детально описанной в [3], и это должно найти отражение в изменении нормативно-технической документации, действующей в России.

Функциональность МП РЗА. Современные IED – многофункциональные устройства. В них имеется широкий набор функций релейной защиты (базовых и дополнительных) и, кроме того, предусмотрен ряд других функций: измерения, регистрации, управления, дистанционной связи. Многофункциональная структура устройств МП РЗА является их существенным преимуществом. Однако, в случае её неправильного использования, она может вызвать много проблем. Проблемы возникнут и в случае, когда предлагаемые решения недостаточно выверены. Комбинация и взаимодействие функций должны соответствовать основным требованиям по надежности срабатывания и надежности несрабатывания системы.

Состав МП РЗА отечественных и зарубежных производителей в части функций релейной защиты в основном совпадает. Однако имеются и отличия, ряд из которых приведен ниже:

Способ предотвращения ложной работы защиты при качаниях мощности в энергосистеме. В отечественной практике с этой целью используется принцип дополнительного пуска при замыканиях и осуществляется контроль выходных цепей дистанционных органов с помощью специального измерительного органа, реагирующего на величину или приращение тока (напряжения), чаще всего, обратной последовательности. В устройствах зарубежных производителей измерительный орган блокировки при качаниях реагирует на скорость прохождения годографом сопротивления заданной области плоскости сопротивлений (принцип ΔΖ/Δţ ). Каждый из этих принципов имеет свои достоинства и недостатки, которые проявляются в сложных режимах, когда замыкание возникает на фоне качаний, когда в результате возникновения внешних замыканий развиваются качания, когда качания переходят в асинхронный режим.

Компенсация влияния емкостных токов линии на работу измерительных органов защит. В отечественной практике такая компенсация предусматривается для защит высоковольтных линий электропередачи напряжением 330 кВ и выше, имеющих большую протяженность (более 300 км): направленных токовых защит обратной и нулевой последовательности, дифференциально-фазных защит и УРОВ, тогда как в зарубежной практике компенсация емкостных токов введена только в продольных токовых дифференциальных защитах.

Функция контроля изоляции высоковольтных вводов в защитах трансформаторов (автотрансформаторов) в зарубежной практике не применялась.

Способ контроля цепей напряжения. В отечественной практике предусматривается контроль не только цепей «звезды» ТН, но и контроль цепей на выходе разомкнутого «треугольника».

Функция АПВ в отечественных защитах, предназначенных для ВЛ 330 кВ и выше, дополнена новыми возможностями, обеспечиваемыми органами контроля погасания дуги (ОКПД), позволяющими выполнить адаптивную паузу ОАПВ, и органами выявления успешного включения линии (ОВУВ), исключающими включение на устойчивое КЗ.

В современных многофункциональных IED реализованы виртуальные блоки с функциями отдельных реле. В эти блоки, эквивалентные электромеханическим реле, входят специальные цифровые алгоритмы, параметры уставок, а также виртуальные входные и выходные соединения. Схема защиты выполняется посредством виртуальных соединений, которые могут быть построены в каждом IED и могут быть гибкими в той или иной степени (в зависимости от производителя).

Достоинством устройства становится возможность простой перестройки его под установленные определенные требования, а также под специальные условия. При установлении связей между функциями, имеющимися в составе устройства, необходимо рассмотреть возможность использования различных инструментальных программных средств, поставляемых производителями МП РЗА. При рассмотрении функциональной гибкости особое внимание необходимо уделить следующим обстоятельствам:

Инструменты, обеспечивающие функциональную гибкость, должны соответствовать международным стандартам МЭК 61131 по конфигурации ПЛК (программируемых логических котроллеров) с целью сокращения затрат на обучение персонала;

Функциональные связи и дополнительная логика внутри IED не должны перегружать процессор и приводить к ухудшению показателей технического совершенства устройства и снижению его функциональных способностей. Производитель обязан предоставить соответствующие инструменты, которые позволят пользователю в онлайновом режиме определить данные об использовании мощностей процессора IED;

Функциональная гибкость внутри IED необходима для того, чтобы в целом удовлетворить требованиям каждого защищаемого объекта. Каждое решение должно быть тщательно проверено и внедрено только после тестирования, учитывающего различные возможные эксплуатационные ситуации;

Количество функций защиты, управления и контроля для одного IED и их выбор должны определяться в соответствии с основными требованиями по надежности срабатывания и несрабатывания системы защиты в целом. Функции внутри одного IED, в целях повышения технического совершенства схемы, должны дополнять друг друга;

Для целей резервирования устройства всегда требуются дополнительные аппаратные средства.

Современные средства связи внутри одного объекта энергосистемы (например, подстанции), а также внедряемые стандарты протоколов связи (МЭК 61850) позволяют обеспечить распределенную функциональность схемы. Это означает, что функции могут быть распределены по различным аппаратным элементам, как в случае с электромеханическими реле, но виртуальные связи между ними теперь будут устанавливаться при помощи системы «горизонтального» обмена информацией между устройствами (GOOSE) на уровне объекта (например, шина станции). Такая возможность должна учитываться при оценке применимости каждого индивидуального решения, причем проведение соответствующего теста должно охватывать различные аппаратные средства (включая коммутационные переключатели), учитывать замедление в передаче сигналов в каналах связи и особенно критические времена задержек, определяемые возможностями системы коммуникации.

Возможность интеграции устройств МП РЗА в другие системы. Современные интеллектуальные микропроцессорные устройства РЗА являются функционально самостоятельными. Однако их возможности могут быть полностью реализованы только тогда, когда эти устройства становятся неотъемлемой частью автоматизированных систем управления технологическим процессом. Инвестиции в современную систему управления ПС имеют небольшой срок окупаемости и являются экономически целесообразными на уровне всей системы в случае, если в АСУ ТП ПС предусматриваются передача данных в контрольный центр с уровня шин и непосредственное управление с уровня контрольного центра. Развитие на системном уровне механизмов передачи, обработки и хранения информации, собираемой на уровне ПС, обеспечит следующие преимущества:

возможность разработки системы анализа повреждений;

возможность разработки системы помощи при принятии решения;

повышение прибыли за счет уменьшения времени восстановления после повреждения и сокращения затрат на обслуживание и контроль.

При интеграции устройств МП РЗА в системы управления и мониторинга подстанции эти устройства, как правило, используются в качестве нижнего уровня систем автоматизации подстанции.

При интеграции устройств МП РЗА в системы управления сетями устройства включаются либо в системы автоматизации подстанций, либо подключаются к системам сбора и передачи информации – ССПИ (устройствам телемеханики, серверам телемеханики).

В системах управления и мониторинга различного первичного оборудования устройства МП РЗА подключаются к контролерам, выполняющим управление и обеспечивающим диагностику этого первичного оборудования.

Устройства РЗА позволяют с инструментальной точностью получать ряд важных характеристик эксплуатации оборудования – реальная отключенная мощность, длительность и величина перегрузки, длительности и характер механических и других неэлектрических процессов и т.п. и выдавать исходные данные для системы, предполагающей внедрения разработанных и новых программ диагностики состояния оборудования.

Применение на одном объекте устройств РЗА различных производителей требует приведения их информационного обеспечения к единому виду, что на практике приводит к значительным затратам времени на этапах проектирования и внедрения как самих устройств РЗА, так и систем автоматизации на их базе.

Известно, что при использовании традиционных средств РЗА требуется прокладка большого количества кабелей. Их функционирование ухудшается из-за помех, потери сигнала, неисправностей кабеля.

Цифровая обработка сигналов, новый стандарт МЭК 61850, переход на каналы оптоволоконной связи позволят решить эти и другие подобные проблемы.

Литература

1. А.М. Федосеев Релейная защита энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1984, 520 с.

2. Г.А. Атабеков Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей. М. – Л. : Госэнергоиздат, 1957, 342 с.

3. Wellens F., Lidstrom S., Petter Muller “Analysis and Guidelines for Testing Numerical Protection Schemes”, CIGRE WG-34.10, Paris, 2000, 115 c.

3 Октябрь, 2009              12083              ]]>Печать]]>
1 / 1 ( Очень плохо )

Добавить комментарий

Ваше имя

Текст

Контрольный вопрос

Dвa pлюs тpi ? (цифрой)

Вверх страницы