Інформаційно-технологічне забезпечення експлуатації електричних мереж 6 – 35 кВ на основі цифрових пристроїв «АЛЬТРА»

V науково-практична конференція «Сучасні методи аналізу усталених режимів електричних мереж та стійкості електроенергетичних систем. Новітні досягнення у проведенні тренажерної підготовки оперативно-диспетчерського персоналу»

На багатьо підстанціях України та деяких ТЕС застосовують цифровий пристрій захисту від ОЗЗ “Альтра”, розроблений співробітниками Інституту мікропроцесорних систем керування об’єктами електроенергетики (ІМСКОЕ) та кафедри електричних систем та мереж Національного університету «Львівська політехніка» [2,3]. Цифровий пристрій захисту “Альтра”, виконаний на мікропроцесорній основі, забезпечує визначення приєднання секції шин напругою 6-35 кВ, на якому виникло ОЗЗ. Пристрій встановлюють на секцію шин з максимальною кількістю приєднань до 28 в мережах з ізольованою або компенсованою нейтралями. Він виконує наступні функції:

• формує команду на вимкнення (на сигнал) приєднання, на якому виникло ОЗЗ;
• здійснює запис цифрограм аварійного процесу під час виникнення ОЗЗ. Записує фазні напруги секції шин u_a, u_b, u_c, значення напруги нульової послідовності u₀, значення струмів нульової послідовності всіх приєднань секції i_0i ;
• здійснює вимірювання та вивід на рідкокристалічний екран пристрою в нормальному режимі діючих значень фазних напруг секції шин U_A, U_B, U_C, значення напруги нульової послідовності U₀, значень струмів нульової послідовності всіх приєднань секції I_0i ;
• відображає на рідкокристалічному екрані інформацію про аварійні події (номер приєднання, на якому виникло пошкодження, час виникнення пошкодження). Ця інформація зберігається в енергонезалежній пам’яті;
• здійснює двонаправлений обмін інформацією із комп’ютером (зчитування цифрограм та зміну конфігурації пристрою) по інформаційній мережі;
• здійснює автоматичне коригування годинника з точністю до 1 мс від GPS модуля.

Пристрої “Альтра” розміщують безпосередньо на підстанціях та електричних станціях. Схема приєднання пристрою захисту “Альтра” до зовнішніх кіл наведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема приєднання пристрою захисту “Альтра” до зовнішніх кіл.

До пристрою “Альтра” для функціонування захисту від ОЗЗ підводять аналогові сигнали. Це фазні напруги шин підстанції та напруга нульової послідовності, які підводять до пристрою від трансформатора напруги TV, а також струми нульової послідовності приєднань до шин, які підводять до пристрою від трансформаторів струму нульової послідовності TAN, розміщених на цих приєднаннях.

Бінарні виходи пристрою (це контакти електромеханічних реле) приєднують до кіл сигналізації та кіл вимкнення вимикачів приєднань підстанції. У випадку виникнення ОЗЗ на приєднані до шин підстанції спрацьовує відповідний бінарний вихід пристрою. Контакт “0” замикається одночасно з замиканням будь-якого контакту з групи контактів “1” – “N”. Цей контакт може використовуватись для загальної сигналізації про виникнення пошкодження на будь-якому приєднані до шин підстанції, які контролює пристрій. Контакт “Error” буде замикатись у випадку несправності пристрою «Альтра» і він може бути задіяний в колах аварійної сигналізації підстанції.

Для обміну інформацією між АРМ диспетчера та пристроями “Альтра” організована локальна інформаційна мережа. Функціональна схема такої мережі наведена на рис. 2.

Рис. 2. Організація інформаційної мережі.

Мережа має дворівнену структуру. Нижній рівень утворюють цифрові пристрої “Альтра”, що встановлені безпосередньо на об’єкті. Всі пристрої “Альтра” об’єднюють в локальну мережу за допомогою двопровідної лінії зв’язку типу “вита пара” з використанням інтерфейсу RS 485.

Доступ до пристроїв “Альтра” організований на основі концентратора. Концентратор містить вбудований комп’ютер, GPS модуль та GSM модем. Він забезпечує збір інформації від всіх пристроїв, встановлених на об’єкті, архівування цієї інформації, часову синхронізацію, передачу інформації на вищий рівень ієрархії управління.

На верхньому рівні мережі фактично реалізується АРМ оператора. АРМ забезпечує можливість оператору (диспетчеру підстанції, електростанції тощо) здійснювати керування цифровими пристроями “Альтра”, приймати та аналізувати зареєстровану ними інформацію. АРМ диспетчера реалізується на персональному комп’ютері (ПК), на якому встановлюють спеціальне програмне забезпечення.

Обмін інформацією між АРМ диспетчера та концентратором може здійснюватись по безпровідній GSM мережі з використанням GSM модемів або по провідній Ethernet мережі.

Таким чином можна організувати мережу, яка зв’язує пристрої “Альтра”, розміщені на різних підстанціях з АРМ, розміщеному на диспетчерському пункті.

Незначні зміни, внесені в пристрої “Альтра”, дозволяють суттєво розширити функціональні можливості системи. До цих змін належить контроль фазних струмів приєднань. За рахунок цих змін можна отримати нові функціональні можливості:

• реєстрація на підстанціях інформації про спрацювання пристроїв релейного захисту та автоматики (РЗА), окремих їх підсистем з передачею цієї інформації на АРМ диспетчера;
• розрахунок та відображення на АРМ диспетчерського пункту значень фазних струмів, активної потужності, реактивної потужності, коефіцієнта потужності кожної фази приєднання підстанції, а також повних значень активної потужності, реактивної потужності, коефіцієнта потужності кожного приєднання;
• алгоритмічна реалізація струмових захистів, які будуть виконувати функції резервних захистів від міжфазних к.з. для всіх приєднань, охоплених пристроєм “Альтра”;
• формування сигналів за командою диспетчера з АРМ на увімкнення та вимкнення вимикачів приєднань підстанцій;
• сигналізація на АРМ диспетчерського пункту стану вимикачів приєднань підстанцій.

Для реєстрації на підстанціях спрацювань пристроїв релейного захисту та автоматики, окремих їх підсистем пристрій “Альтра” доповнюється блоком бінарних входів, до яких за допомогою кабелів під’єднують контакти реле-повторювачів відповідних пристроїв РЗА.

Необхідно забезпечити контроль пристроєм “Альтра” фазних струмів приєднань. Для мереж з ізольованими нейтралями достатньо контролювати струми двох фаз, як правило, фаз А та С, де встановлені трансформатори струму. Це дозволяє на АРМ диспетчерського пункту здійснювати розрахунок та відображати на мнемосхемі підстанції значення фазних струмів, активної та реактивної потужностей, коефіцієнта потужності кожної фази приєднання, а також повних значень активної потужності, реактивної потужності, коефіцієнта потужності кожного приєднання.

Для модифікацій пристрою “Альтра” з 32 аналоговими входами без будь-яких змін можна забезпечити захист від замикань на землю та контроль фазних струмів 9-и приєднань. Ще 4 аналогових входи використовують для контролю фазних напруг шин та напруги нульової послідовності.

З пристроїв “Альтра” на АРМ диспетчера в миттєвих дискретизованих значеннях передаються значення фазних напруг секцій шин та значення фазних струмів приєднань. А вже безпосередньо на АРМ здійснюєтся розрахунок їх діючих значень та синтезованих координат за інформацією про миттєві значення напруг та струмів.

Діючі значення координат (напруг, струмів) розраховуються за виразом

,

(1)

де T – період промислової частоти; f – миттєве значення струму (напруги) для моменту часу t. Враховуючи дискретний характер інформації про миттєві значення струмів та напруг, робоча формула розрахунку діючих значень струмів та напруг має вигляд

,

(2)

де f_k+1, f_k – значення координат режиму (струмів, напруг) для k+1 та k точок дискретизації з умови, що на період промислової частоти T є N виборок; h – крок дискретизації за часом.

Для синтезу потужностей приєднань спочатку необхідно виділити гармонічні складові сигналів u_A, u_B, u_C та i_A, i_B, i_C. Кількість гармонік визначається частотою дискретизації сигналу.

Під час гармонічного аналізу струмів та напруг для кожної гармоніки визначаються синусні та косинусні складові по окремих фазах. Також визначається постійна складова координати. Для цього використовується перетворення Фур’є.

Нижче наведені робочі формули розрахунку синусних та косинусних складових струмів (напруг), отриманих на основі перетворення Фур’є та постійної складової струмів (напруг) для кожної гармоніки

,

(3)

де f_J(k), f_J(k+1) – значення координат режиму для кожної фази (струмів, напруг) для k та k+1 точок дискретизації, де J=A,B,C; h – крок дискретизації за часом; N – кількість точок дискретизації на період промислової частоти; i – номер гармоніки.

На основі синусних та косинусних складових, отриманих для струмів (напруг) кожної фази визначаються: активна, реактивна, повна потужності, коефіцієнт потужності (cosφ) по окремих фазах приєднання, а також сумарні активна, реактивна, повна потужності, cosφ приєднання.

Ці координати визначаються за нижче наведеними виразами

,

(4)

де U0_J, I0_J – постійні складові напруг та струмів; U_Jsi, I_Jsi, U_Jci, I_Jci – синусні та косинусні складові i-ої гармоніки напруг та струмів; M – кількість гармонік; J=A,B,C.

Сумарні значення цих координат визначаються за виразами

.

(5)

Для забезпечення дистанційного управління вимикачами підстанції з АРМ диспетчерського пункту на підстанції для кожно вимикача додатково встанолюють два реле команди: реле команди “увімкнути” та реле команди “вимкнути”. Це можуть бути звичайні проміжні реле. Ці реле будуть керуватись від вихідних реле пристрою “Альтра”. Контакти реле команди небхідно задіяти в колах управління відповідних вимикачів підстанції – в колі увімкнення та в колі вимкнення кожного вимикача. Для реалізації цієї функції в пристрої “Альтра” ніяких змін виконувати не потрібно, можна використати вихідні реле пристрою “Альтра”.

Блок бінарних входів використовується і для передачі на АРМ диспетчерського пункту сигналів про стан вимикачів на підстанції. Для цього бінарні входи пристрою “Альтра” на підстації необхідно з’єднати з блок-контактами відповідних вимикачів. Інформація з бінарних входів пристрою “Альтра” в системі передається на АРМ. На основі цієї інформації на мнемосхемі диспетчерського пункту відображається стан вимикачів підстанції.

Для реалізації струмових захистів (максимальних стумових захистів) від міжфазних к.з. реалізуються алгоритми цих захистів, які функціонують безпосередньо в пристрої “Альтра”. Ці захисти резервують дію основних захистів від міжфазних к.з., встановлених на приєднаннях, що суттєво підвищує надійність функціювання захистів приєднань від міжфазних к.з. в цілому.

За виникнення ОЗЗ чи міжфазних к.з. здійснюється запис цифрограм аварійних процесів. Запис здійснюється в миттєвих значеннях координат режиму. Після закінчення аварії цифрограми передаються на АРМ диспетчерського пункту для подальшого грунтовного аналізу з використанням спеціального програмного забезпечення GRANOS [4]. За допомогою цього програмного забезпечення здійснюється:

• гармонічний аналіз координат режиму;
• розрахунок симетричних складових координат режиму;
• побудова годографів опору;
• визначення виду та віддалі до місця пошкодження за міжфазного к.з. на приєдані;
• розрахунок інших координат режиму, наприклад, зміну в часі активної, реактивної потужностей, напруги та струму прямої, оберненої та нульової послідовностей;
• формування інтегральних, диференційних характеристик координат режиму.

Таким чином, використовуючи пристрої “Альтра” від ОЗЗ, можна забезпечити основні функції управліня підстанціями з диспетчерського пункту, не використовуючи складного та дорогого обладнання традиційних систем телемеханіки. Комплекс побудований на базі пристроїв “Альтра” має багато ознак систем ТМ, а саме: функції телеуправління (дистанційне управління вимикачами підстанцій з диспетчерського пункту), телесигналізації (відображення на мнемосхемі АРМ диспетчера стану вимикачів підстанцій), телевимірювання (дистанційне вимірювання координат режиму підстанцій з розрахунком на АРМ диспетчера додаткових координат режиму). Але крім цих властивостей комплекс має ряд особливостей, які не притаманні системам ТМ. Зокрема це захисти приєднань підстанцій від ОЗЗ та міжфазних к.з.

Висновки

1. Цифровий пристрій захисту “Альтра” забезпечує визначення приєднання секції шин напругою 6-35 кВ, на якому виникло ОЗЗ.

2. Комплекс, створений на основі пристроїв “Альтра”, реалізує автоматизоване робоче місце оператора (диспетчера підстанції, електростанції тощо).

3. Модифікований пристрій “Альтра” дозволяє здійснити реєстрацію на підстанціях інформації про спрацювання пристроїв РЗА, окремих їх підсистем, а також стан вимикачів з передачею цієї інформації на АРМ диспетчера.

4. Комплекс з застосуванням модифікованих пристроїв “Альтра” дозволяє диспетчеру дистанційно керувати вимикачами приєднань підстанцій.

5. Алгоритмічна реалізація струмових захистів, які виконують функції резервних захистів від міжфазних к.з. для всіх приєднань, охоплених пристроєм “Альтра”, суттєво підвищує надійність функціювання релейного захисту від міжфазних к.з. в цілому.

6. Вимірювання пристроями “Альтра” миттєвих значень фазних струмів приєднань та напруг шин дозволяє розраховувати та відображати на АРМ диспетчерського пункту діючих значень фазних струмів приєднань підстанції, напруг шин, а також значень активної потужності, реактивної потужності, коефіцієнта потужності кожного приєднання та кожної його фази.

7. Запис цифрограм аварійних процесів пристроями “Альтра” з подальшою передачею їх на АРМ диспетчера дозволяє здйснити грунтовний аналіз аварій, застосовуючи спеціальне програмне забезпечення GRANOS.

Література:
1. Гловацкий В.Г., Пономарев И.В. Современные средства релейной защиты и автоматики электросетей, Энергомашвин, 2003. – 535 с.
2. Базилевич М.В., Божик Р.С., Сабадаш І.О. Мікропроцесорна інформаційно-діагностувальна система “Альтра” для селективного визначення приєднання з уземленою фазою. Енергетика і електрифікація. Київ, 2003. – № 7. – с. 91 – 952.
3. Сабадаш І.О. Новітні мікропроцесорні технології в експлуатації мереж 6 – 35 кВ. – Электрические сети и системы., 2010, №6.
4. Баран П.М., Кідиба В.П., Шмагала В.М., Пришляк Я.Д. “Спеціальне програмне забезпечення цифрової тестової системи для перевірки пристроїв релейного захисту та автоматики” // Енергетика та електрифікація, Київ. – 2006. – № 6 – с. 25÷32.