Содержание к диссертации
Введение
1. Микропроцессорные устройства защиты и автоматики 9
1.1. Общая характеристика микропроцессорных устройств РЗ и А 9
1.2. Аппаратная часть программной мультипроцессорной защиты II
1.2.1. Система сбора данных (ССД) 12
1.2.2. Цифровая система ввода-вывода(ЦСВВ)
1.3. Цифровые фильтры... 19
1.4. Алгоритмы процессорной защиты 22
2. Разработка и реализация алгоритмов рз и а 29
2.1. Общая характеристика защищаемого объекта 29
2.1.1. Характерные режимы управляемого объекта 31
2.1.2. Особенность требований к устройствам РЗ и А 33
2.2. Разработка типовых алгоритмов РЗ подстанции 34
2.2.1. Релейная защита трансформатора :..35
2.2.2. Защита электродвигателей 50 Стр.
2.3. Алгоритмы пусковых органов 81
2.4. Разработка алгоритмов автоматики МСЗА (АПВ и АВР)
2.4.1. Алгоритм АПВ 100
2.4.2. Алгоритм АВР 106
2.5. Реализация комплекса релейной защиты и автоматики на
примере подстанции, питающей синхронные двигатели 115
2.5.1. Распределение устройств сбора данных 116
2.5.2. Базы данных МСЗА 118
2.6. Тестирование программного обеспечения 122
3 .Выбор структуры вс по условию обеспечения
4.1. Особенности оценки надежности мультимикропроцессорных защит 141 Стр.
4.2. Расчетные значения требуемых наработок на отказэлементов ВС 146
4.3. Классификация влияния отказов и сбоев элементов микропроцессорных защит на их функционирование 152
4.4. Распределение параметров потоков отказов между элементами аппаратуры ВС 156
4.5. Алгоритм оценки надежности РЗ, выполненной на ВС 159
4.6. Обеспечение надежности МСЗА 164
Заключение 183
Литература 184
- Аппаратная часть программной мультипроцессорной защиты
- Характерные режимы управляемого объекта
- Разработка алгоритмов автоматики МСЗА (АПВ и АВР)
- Классификация влияния отказов и сбоев элементов микропроцессорных защит на их функционирование
Аппаратная часть программной мультипроцессорной защиты
Для мультипроцессорной защиты и автоматики информация о состоянии защищаемого объекта, поступает от трансформаторов тока, напряжения и других преобразователей. Но напряжение на выводе этих преобразователей (ТТ.ТН.др.) не согласуется с уровнем напряжения на входе аналого-цифровых преобразователей, а для ТТ необходимо еще и преобразование формы сигнала ток- напряжение. Стандартный уровень напряжения на вводе составляет ±5В или ± I0B, в зависимости от вида аналого-цифрового преобразователя. Поэтому необходимо преобразовать вторичное напряжение в стандартное. Для этого обычно в цепях тока применяется промежуточный преобразователь тока. Напряжение на его выходе формируется при прохождении тока через активное сопротивление, включенное на вторичной стороне промежуточного трансформатора. Преимуществом промежуточного преобразователя тока является то, что если сердечник его трансформатора не насыщен, то вторичный ток и напряжение на сопротивлении сохраняют форму тока на входе, т.е. преобразование не вносит искажений исходной информации. Это существенно для микропроцессорной защиты, поскольку позволяет более корректно оценить путем вычислений необходимые для РЗ параметры например такие как амплитуда и (Ьаза принужденной составляющей тока.
Недостатком промежуточного преобразователя тока является возможность искажения кривой вторичного тока из-за влияния апериодических составляющих во входном токе, вызывающих насыщение магнито-провода промежуточного трансформатора особенно при больших кратностях тока. Надо отметить, что преобразоватееьукроме основной функции .дополнительно позволяет выполнить защиту от перенапряжения, например, при оптической развязке вторичных и первичных цепей, что повышает надежность системы РЗ и А.
Выбор частоты дискретизации и аналоговый фильтр Выбор частоты дискретизации -одна из ключевых задач проектирования аппаратной части, участвующей в системе сбора данных. Чем выше частота, тем выше требование к быстродействию процессора (CPU), так как программная защита функционирует в реальности мае- ]/ штабе времени. Система сбора данных с шагом дискретизации периодически и беспрерывно передает выборки исходных данных, которые до поступления очередной серии выборок должны быть обработаны процессорами ВС. В противном случае очередные выборки могут быть потеряны и система не может нормально функционировать. С другой стороны, если частота дискретизации слишком велика, полученная в вы- С\ борках информация не может точно отражать измеряемый сигнал. Исследования показали /19,22,23/, что частота дискретизации (U) должна в два раза превышать максимальную частоту (f«ax) спектра измеряемого сигнала. В противном случае возникает частотное наложение (маскировка спектра)/23/, когда высокие частоты, воспринимаются по выборкам как низкие, т.е. приводят к неправильному измерению.
В начальные моменты возникновения КЗ в кривой тока и напряжения часто имеются высокочастотные составляющие (например до 2КГц). Для предотвращения частотного наложения частота f;mc должна выбираться достаточно высокой, что приведет к повышенным требованиям по быстродействию аппаратуры системы сбора данных и процессора. На практике большинство процессорных защит, в том числе и рассматриваемая в работе РЗ на базе мультипроцессорной системы, для обнаружения и идентификации повреждения использует электрические величины только промышленной частоты/24/.
В этом случае можно фильтровать высокочастотные составляющие перед вводом в систему сбора данных аналоговым фильтром нижних частот (ALF). Таким образом понижается требование к аппаратуре. При этом к аналоговому фильтру не предъявляются требования по качественному выделению сигнала промышленной частоты. Эта операция более эффективно выполняется цифровыми фильтрами по соответствующим программам выполняемым процессором (см.п.1.3). Аналоговый фильтр предназначен только для подавления высокочастотных составляющих с целью ограничения спектра сигнала на входе системы сбора данных и снижению требований по частоте дискретизации ( ґдиc/2), остальные высокочастотные составляющие фильтрируются цифровым фильтром. Указанная аналоговая фильтрация оказывается полезной и для устранения неблагоприятного влияния известного свойства цифровых фильтров/19,23,25,26/, заключающегося в периодичности амплитуде»—частотной характеристики.
Другим, качественно иным критерием выбора частоты дискретизации являются требования со стороны программных измерительных органов, а именно алгоритмов, по которым измерительные органы определяют свое состояние срабатывания/несрабатывания. В дальнейшем в рассматриваемом комплексе мультипроцессорной защиты принята частота дискретизации 600 Hz (Uc=600Hz, Тди= 1.67ms), что согласуется с рядом рекомендаций в этой части /18,19,27,28/.
Характерные режимы управляемого объекта
Для защиты от многофазных КЗ в обмотке статора применяют токовую или дифференциальную защиту.
Правила устройства электроустановок регламентируют выбор того или иного способа выполнения защиты от многофазных замыканий в зависимости от номинальной мощности ЭД. При номинальной мощности менее 5000 кВт рекомендуется применять токовую отсечку, а для ЭД большей мощности устанавливать дифференциальную защиту. Дифференциальная защита предусматривается и на ЭД мощностью до 5000 кВт, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, поскольку для многих электродвигателей определяющим условием для выбора тока срабатывания является режим пуска.
В Китае границы применения токовой отсечки или дифференциальной защиты связаны не только с номинальной мощностью ЭД, но и с его ответственностью, стоимостью и получающейся чувствительности отсечки. В связи с вышесказанным в дальнейшем для СД номинальной мощностью 5000 кВт и выше установлена дифференциальная защита в качестве основной защиты от многофазных КЗ, которая разработана в п.12.1. Как отмечалось в комментарии алгоритма дифференциальная защита предназначена не только для силового трансформатора, нон для мощных ответственных ЭД. Для АД номинальной мощностью менее 5000 кВт применяется токовая отсечка. На рис.3.1 показав распределение защит, разработанных в п.2.2.1.
В качестве еще одного варианта разработан алгоритм защиты от многофазных замыканий в обмотке статора для более ответственных ЭД номинальной мощностью менее 3000 кВт, которую можно называть токовой отсечкой ЭД, структурная схема которой представлена на рис.2.6.
Отличие данного варианта от первого представленного на рис 2.5 заключено в том, что второй вариант (рис.2.6) не требует полного периода сбора выборок токов после возникновения КЗ.
После срабатывания ПО для вычисления трехфазных значений тока использована часть данных нормального режима (до КЗ) и часть данных в условиях КЗ, т.е. имеется "плавающее" окно сбора данных постепенно "наползающее" на режим КЗ.
Такое решение дает положительный результат в части повышения быстродействия защиты. В алгоритме применяется начение которого выбор максимального значения тока 1мах из трех фазных для дальнейшей обработки. В случае, когда W 1у (ток уставки) через шаг дискретизации повторяют процесс измерения фазных токов. При этом контролируется количество шагов цикла п. Если количество шагов цикла п не превышает определенное заданное значение (шу), которое определяется заданным периодом сбора данных после возникновения К3(20 мс), цикл повторяется. Это обеспечивает полное использование данных в режиме КЗ. Таким образом в определенной степени ускоряется действие защиты, так как пусковой орган запускает защиту обычно через 3/6 шагов дискретизации после К3( см.ПО) следовательно, если первое сравнение W и 1у оказывается положительным (Ідаи 1у), бь[стродействие защиты повышается примерно на полупериод промышленной частоты (10 мс). (токовая отсечка ЭД) По быстродействию вариант по крайней мере не уступает ранее изложенному алгоритму, когда необходим сбор данных на полном периоде после возникновения КЗ. При n Шу и Іти Iy считается, что КЗ либо отсутствует, либо уже отключено другими защитами, а защита должна возвращаться в первоначальное положение. Алгоритм защиты на этом заканчивается и защита готова к последующим срабатываниям. Для возврата выполняется ряд операций, в состав которых входят: сохранение информации для протокола, возврат соответствующих признаков срабатывания ПО, включение второго ПО на функционирование, возврат счетчиков ПО и короткое сообщение об этом.
В случае, если W Iy немедленно будет подана команда на отключение выключателя. Дальнейшие команды аналогичны алгоритму защиты ЭД от несимметричных режимов и витковых замыканий после подачи инструкции на отключение выключателя. Защита ЭД от замыкания на корпус (землю) в обмотке статора
В соответствии с /41,58/ защита от однофазных замыканий на землю в обмотке статора предусматривается для двигателей номинальной мощностью более 2000 кВт при суммарном емкостном токе в сети IcS, к которой подключен ЭД, большем или равном 5 А. На ЭД меньшей мощности в целях упрощения защита устанавливается при суммарном емкостном токе сети 10 А и более. Такое решение на практике имеет недостатки для ЭД мощностью до 2000 кВт/23,55/. Поэтому в качестве критерия в настоящее время принимается значение суммарного емкостного тока замыкания на землю, равное 5 А вне зависимости от его мощности.
С одной стороны при Ics 5 А защита от однофазных замыканий на землю в обмотке статора необходима, а при Icx 5A не обязательна. Но с другой стороны следует подчеркнуть целесообразность установки данной защиты и при меньших токах/58,59/. Это следует прежде всего из того, что замыкания на землю в обмотке статора — самый распростра 63 ненный вид повреждения ЭД. Даже при токах Ic s 5А замыкание может не самоликвидироваться и является опасным с точки зрения их последующего перехода в междуфазное КЗ.
Для некоторых электродвигателей, например, ЭД механизмов карьеров, рудников, и тлі., где имеется необходимость по условиям безопасности в незамедлительном отключении замыкания на землю даже при очень малых (0.2—0.5А) токах в месте повреждения /60/ защита устанавливается вне зависимости от указанного критерия.
Поэтому границы установки защиты от замыкания на корпус зависят не только от величины емкостного тока (1с 5А), но и от ответственности ЭД с точки зрения применения. Ниже предполагается необходимость установки защиты на всех ЭД. Рассматривается традиционный принцип защиты, реагирующей на действующее значение тока нулевой последовательности, поступающего от ТТНП (выполнение транс- , форматора тока нулевой последовательности для алгоритма значения не имеет и далее не рассматривается).
Для обеспечения мгновенного отключения ЭД при двойном замыкании на землю(одно—в статоре ЭД, а другое—в сети) защита от замыкания на корпус действует на отключение выключателя без выдержки времени.
Структурная схема алгоритма данной защиты приведена на рис.2.7. По сравнению с токовой отсечкой ЭД(рис.2.6) разница заключается только в начале (блоке измерения), т.е. после пуска защиты от замыкания на корпус измеряется по алгоритму Фурье ток нулевой последовательности поступающий непосредственно от ТТНП. Остальные операции и последовательности аналогичны токовой отсечке ЭД.
Разработка алгоритмов автоматики МСЗА (АПВ и АВР)
В алгоритме использовано два управляющих слова: первое предназначено для запуска АВР; второе — для блокировки. Выполнение АВР происходит при условии: АВР запущено и неблокировано. Такое решение целесообразно для реализации изложенных выше требований к АВР. Существует также протокол согласования действий между АВР и операцией ручного отключения: при отключении силового выключателя (Qo или Qi) персоналом всегда запускает АВР. Если операция отключения классифицируется как правильная с точки зрения эксплуатации (т.е. не нужно действие АВР), то выполняется операция блокировки АВР, иначе отключение силового выключателя считается ошибочным, а исправлять эту ошибку персонала будет АВР.
На каждом шаге дискретизации алгоритм АВР проверяет условия: АВР запущено и не блокировано. При невыполнении этих условий программа АВР заканчивается до следующего шага дискретизации, при выполнении условий программа АВР приступит к выполнению.
После этого фиксируется запуск АВР и набирается выдержка времени, необходимая для его дальнейшего выполнения, так как при срабатывании защиты, вызвавшей действие АВР, одновременно подается команда на отключение силового выключателя и команда на запуск АВР, что может привести к ситуации, когда программа АВР получила сигнал пуска и начала свою работу, которая в этих условиях не имеет смысла, так как силовой выключатель все еще не отключен из-за собственной инерции, превышающей время пуска программы АВР. Поэтому необходима выдержка времени в АВР для обеспечения гарантированного отключения силового выключателя.
По истечению выдержки времени проверяются положения обоих силовых выключателей со стороны низкого напряжения(С о,С?і). При этом имеются четыре возможного варианта.
Это означает, что первая секция нагрузки отключена от основного питания. Должна подаваться команда на гашение поля всех СД первой секции шин в соответствии с вышеупомянутыми требованиями к выполнению АВР для ускорения его действия и обеспечения безопасности СД. Затем набирается выдержка времени, в течение которой остаточное напряжение всех СД снижается до допустимого значения(0.5ином) /38/.
Дальнейшие два блока предназначены для контроля напряжения питания резерва (секции II) и остаточного напряжения СД (секции I) последовательно. Контроль питания проводится по одной фазе (А). Если напряжение питание резерва(итгг.рю) не достаточно для питания обесточенной секции шин(иПИт.р« ипнг.у), то действие АПВ блокируется и программа завершается. Такое решение диктуется необходимостью сохранения устойчивости работы резервной системы, поскольку, если включение резерва может привести к нарушение устойчивости резервной системы, то такое включение не приемлемо. По некоторым данным, в настоящее время критерием возможного нарушения устойчивости является определенное значение напряжения nnTaHHe(tWy)/38,41/.
В блоке контроля напряжения СД измеряется остаточное напряжение СД по трем фазам. При снижении напряжения всех трех фаз до допустимого значения (UсгT.ta.ccKi UoCT.ед.у) условие по состоянию СД на повторное включение считается удовлетворенным. В этот момент разрешается подача команды на включение СВ. В противном случае необходимо повторять процесс контроля напряжения СД через определенную выдержку времени. Этот цикл выполняется до тех пор, пока
После подачи команды на включение СВ выполняются еще некоторые функциональные блоки : фиксация момента включения СВ; снятие запуска АВР для предотвращения повторного включения после завершения текущего АВР; подключение защиты СВ к системе ввода данных (выборок) от измерительных трансформаторов тока в цепи СВ.
В этом случае вторая секция потеряла основное питание, а первая секция как источник резерва должна питать ее, если это возможно. Дальнейшие действия аналогичны ситуации а с заменой соответственно номеров секций шин.
В этом случае запрещается действие АВР, поскольку нормальное питание резерва не существует. Питание восстанавливается только персоналом. Поэтому выполняется блокировка АВР, на чем и заканчивается его работа.
Такая ситуация означает потерю питания со стороны источников. Ситуация может быть разделена на три возможных случая после измерения соответствующего напряжения:
В таком случае сначала подается команда на отключение выключателя Qo, так как без отключения Qo АВР не разрешается. Это объясняется тем, что как правило, потеря основного питания трансформатора со стороны источников вполне возможно происходит при возникновении КЗ в схеме источников питания (в сети 35 кв.). Если Qo не отключается перед включением СВ, то включение СВ происходит на устойчивое КЗ, нарушится работа второй нормальной секции, являющейся резервом по отношению к первой секции, а в худшем случае нарушается устойчивость резервной системы/47,51/. Поэтому необходимо отключение силового выключателя, потерявшего рабочее питание.
Затем дается команда на гашение поля всех СД первой секции. Это необходимо по той же причине, что было у АПВ и в случае а . Далее набирается выдержка времени, которая выбирается по максимальному значению из времени отключения силового выключателя ) и времени, в течение которого напряжение СД снизилось до допустимого для АВР значения (Uocr-сд.у). Это необходимо для следующего шага, который выполняет функцию проверки положения силового выключателя ). В случае неуспешного отключения выполняется блокировка действия АВР, сообщение об этом персоналу и завершение выполнения программы АВР. В противном случае будут выполняться блоки контроля питания и напряжения СД, которые аналогичны соответствующим блокам в ситуации а . Остальные функциональные блоки также аналогичны ситуации а .
Классификация влияния отказов и сбоев элементов микропроцессорных защит на их функционирование
Деление на подсистемы и подгруппы позволяет учесть влияние отказа каждого элемента подсистемы на функционирование защиты. Отказы и сбои элементов каждой подсистемы или подгруппы качественно различно проявляются на функционировании защиты. Так потеря работоспособности в том или иной подсистеме или подгруппе может проявиться на одной функции РЗ и не проявиться на другой. В таблице 4.3 приведены результаты анализа влияния отказа или сбоя элементов, входящих в подсистему или подгруппу на общее функционирование РЗ (использованы результаты исследования /76,81,82/).
Как следует из таблицы 4.3, сбои элементов разных подсистем и подгрупп не обязательно приводят к потере всех функций РЗ, что объясняется кратковременностью нарушения работоспособности элементов. При этом не учитывается одновременное наложение сбоя элемента и КЗ на защищаемом элементе ввиду его мало вероятности.
Из таблицы 4.3 следует, что искомым параметром каждого потока отказов РЗ является сумма интенсивностей отказов или сбоев всех элементов, вызывающих соответствующие последствия на функционирование РЗ по тому же потоку.
Параметр потока отказов и сбоев элементов, приводящих во время возникновения внутренних КЗ к отказу срабатывания РЗ согласно таблице 4.3 определяется суммой: в условия внешних КЗ, ведущих к излишним срабатываниям:
Целью проводимого в данном разделе исследования является разработка алгоритма оценки надежности РЗ в предположении того, что рассматриваемый технический объект: ВС, как уже отмечалось, ограничен только его цифровой частью (далее короче ВС).
Для подсистемы расчета с учетом распределения МП (на рис.3.5) в условиях внешних КЗ, а также в режимах без КЗ отказ любого МП определенного вида может привести соответственно к излишним и ложным срабатываниям защиты. Поэтому по отношению к функции несрабатывания РЗ МП соединены в смысле надежности последовательно. В этом случае параметр потока отказов элементов подсистемы расчета определяется для простейших потоков суммированием всех потоков отказов МП подсистемы соответственно по отношению к излишним и ложным срабатываниям: где п — количество МП подсистемы расчета, соединенных в смысле надежности последовательно по отношению к излишним и ложным срабатываниям соответственно
Определяется число МП подсистемы расчета, отказы которых ведут к отказам срабатывания РЗ.
Определение параметра потока отказов срабатывания подсистемы расчета й расч по п.Ш является несколько более сложным по сравнению с п.П. Дело в том ,что в общем случае в зависимости от вида КЗ и сочетания замкнувшихся фаз по алгоритмам РЗ задействованы несколько МП. Поэтому для каждой защиты и защищаемой зоны нужно было бы рассматривать собственный канал цепочку прохождения потока данных и команд, т.е. определять индивидуальные цепочки МП по отношению к конкретной защите, определять коэффициент неготовности этих каналов, а также весовые коэффициенты, учитывающие частоту использования каналов, зависящую от интенсивности КЗ данного вида, и наконец, суммировать коэффициенты неготовности с учетом весовых коэффициентов.
Однако, можно выбирать только один более вероятный канал в качестве оценки надежности для РЗ. Такое решение обусловлено тем, что задача учета различных каналов аналогично возникает и при расчете надежности защит традиционного исполнения /20/, где как известно, на основе свойства канальности расчеты ограничиваются одним каналом . В случае микропроцессорных защит расчет по одному каналу имеет даже большие основания ,так как в подсистеме расчета имеется незначительное число возможных различных цепочек МП , в связи с чем один канал более представителен. С другой стороны для рассматриваемого частного конкретного примера вычислительной структуры подсистема расчета (рис.3.5) включает всего три МП , а для любой функции РЗ задействованы всегда два МП. Поэтому в рассматриваемом достаточно характерном примере для параметра потока отказов срабатывания справедливо выражение:
По выражениям (4.5-4.7) рассчитываются эквивалентные параметры потоков отказов элементов системы, приводящих к потере трех рассматриваемых функций РЗ. С помощью соотношения (4.1) могут быть получены и наработки на отказ, которые будет иметь ВС (рис.3.5) без принятия мероприятий по повышению надежности .
Сравниваются получаемые наработки на отказ ВС РЗ с требуемыми и разрабатываются мероприятия по повышению надежности.
В случае неудовлетворения показателей надежности по отношению к требованиям должны быть приняты меры по повышению надежности ВС. Чаще всего используется функциональное или комплексное резервирование. В такой ситуации расчет параметров потоков отказов срабатывания и несрабатывания аналогичен расчету схемы дублирования. (Многократное резервирование также может быть разделено на схемы многократного дублирования ).
Итоговый коэффициент неготовности схемы дублирования при параллельном в смысле надежности соединении и без учета зависимости отказов основного и дублирующего элементов определяется выражением/21/:
Если схема с точки зрения надежности оказывается последовательным соединением элементов, тогда /21/: число последовательно соединенных устройств. Последовательная схема или схема дублирования (схема включения "И" и "ИЛИ") могут рассматриваться с точки зрения функционирования устройств как дуальные /2!/: например, схема "И" по несрабатыванию является схемой "ИЛИ" по срабатыванию и наоборот. Поэтому выражения(4.8 4.9) применимы к функциям как срабатывания, как и несрабатывания.
Для коэффициента неготовности ложного срабатывания целесообразно использовать среднее значение коэффициентов неготовности срабатывания и излишнего срабатывания того же устройства из-за отсутствии параметра потока требования ложного срабатывания. Таким образом, коэффициент определяется выражением:
