Aplicatii ale microprecesoarelor bazate pe relee cu linie de trasnsmisie

Aplicatii ale microprecesoarelor bazate pe relee cu linie de trasnsmisie

Rezumat Timp de multi ani, utiliatile au folosit relee electromecanice pentru protectia sistemelor energetice. Rezultatul folosirii releelor electromecanice a fost o intretinere indelungata si o proiectare practica. Atat cat intretinerea cat si proiectarea schemelor de protectie folosind aceste relee este foarte scumpa si o mare consumatoare de timp.

De peste 10 ani, au fost impuse releele bazate pe microprocesoare. Aceste relee ofera multe avantaje fata de cele electromecanice. Aceasta lucrare compara o schema tipica de protectie cu line de trasnsmisie privind costul, proiectarea si intretinerea. Informatiile prezentate in lucrare arata faptul ca releele bazate pe microprocesoare ofera o mare economie de bani, proiectare inginereasca si intretinere.

Lucrarea se incheie prin ilustrarea multor aplicatii ale liniilor de protectie pe baza de relee cu microprocesoare.

Introducere

Releele de protectie joaca un rol foarte important in functionarea sistemelor energetice. Releele de protectie sunt proiectate pentru a lua masuri atunci cand au loc conditii anormale in sistemul energetic. Aceste conditii anormale pot fi scurtciruite, conditii de supraincarcare si pierderi din sincronizarea sistemului.

Scheme de protectie elaborate au fost dezvoltate pentru a detecta aceste variatii de conditii folosind incercarile si experienta din functionarea sistemului si a erorilor. Aceste scheme de obicei au fost realizate din piese discrete asa cum ar fi relee de supracurent,relee de distanta, relee auxiliare si relee de inchidere. Toate aceste componente trebuie conectate intre ele pentru a avea o schema completa, functionala, ceea ce inseamna timp si bani in proiectare, dezvoltare si procesul de instalare.

Datorita numarului mare de componente care alcatuiesc aceste scheme de protectie, teste de instalare detaliate si programe de intretinere de rutina trebuie efectuate pentru a ne asigura ca schemele functioneaza corect. Din nou, acest lucru necesita o mare investitie de bani, timp si mana de lucru. De exemplu, o scheme de protectie cu line de transmisie la distanta cu pasi de timp trebuie sa fie verificat la fiecare trei ani pentru a ne asigura ca functioneaza in parametrii normali.

Releele cu microprocesoare ofera multe avantaje fata de cele cu componente discrete. Schema totala ocupa mai putin spatiu pe panoul de control. Numarul de componente este foarte redus. Proiectarea si conectarea este simpla si mai ieftin de implementat. Testarea instalatiei si testele de intretinere pot fi foarte mult reduse. Releele cu microprocesoare de asemena ofera multe caracteristici si functii in plus functiilor de baza de protectie.

Releele cu microprocessor se pot folosite si la aplicatiile cu relee electromecanice. Beneficiile adaugate a proiectului simplus si fiabilitatea imbunatatita fac din ele o alegere foarte tentanta.

Releele cu microprocessor fac dicponibile noi folosofii de protectie si aplicatii. Putem implementa scheme de protectie mai flexibile, intretinere mai redusa, obtinem mai multe informatii pentru a intelege mai bine sistemele energetice, pentru a imbunatati fiabilitatea sistemelor de protectie ca pe un intreg la un cost mai mic decat releele conventionale electromecanice.

Comparatie intre schemele de protectie

electromecanice si cele cu processor

Cerintele de spatiu si partea fizica

O schema de distanta cu trei zone de timp este formata din elemente de drum instantanee, doua nivele de elemente de excursie cu intarziere de timp pentru erorile de faza si in element de excursie instantanee si elemente de supracurent-timp pentru erori de impamantare. Pentru acest exemplu, vom presupune ca schema de distanta cu pasi de timp foloseste elemente de faza de distanta si de impamantare directionala a supracurentului. Erorile de faza sunt detectate folosind trei zone de relee de faza de distanta. Erorile de impamantare sunt detectate folosind un releu de impamantare directional al supracurentului care include un elemente de supracurent-timp si un element de supracurent instantaneu. Schema de protectie include de asememenea in re-inchizator dintr-o singura miscare pentru reinitializarea automata a liniei dupa ce o eroare a fost inlaturata.

Schema de releu electromecanic foloseste relee de distanta cu trei faze. Aceste relee pot masca toate tipurile de  erori pe o baza de zona sau pe toate cele trei zone afectate de fazele eronate. Acest lucru depinde de fabricantul releelor de distanta. Oricum, in orice caz, sunt necesare trei relee de distanta. Un cronometru este de asemenea necesar pentru elementele cu intarzieri de timp. Tipic, intarzierea de timp este furnizate de la cronometre diferite, in caz ca unul se defecteaza, sa nu fie pierduta toata schema de distanta cu pasi de timp. Un singur releu de impamantare a supracurentului directional ba fi folosit pentru detectia erorilor de impamantare. In releu de inchidere dintr-o singura miscare va furniza pentru reinitializarea liniei. Un releu de supracurent non-directional va fi folosit pentru a monitoriza releul de distanta.

Schema releului electromecanic este ilustrata in Figura 1. De retinut ca schemele electromecanice necesita aproape tot spatial continut in panoul de 84inch/19inch.

Schema releului cu microprocessor este formata dintr-un releu multifunctional care furnizeaza trei zone de protectie de distanta cu pasi de timp, trei nivele de protectie de impamantare la supracurent cu timp instantaneu sau definit, o functie de timp-supracurent de impamantare directionala si in inchizator din trei miscari. Schema pe baza de microprocesor va include de asemenea un releu cu microprocesor cu zona simpla ca sprijin in caz de eroare sau in cazul defectiunii releului primar cu multi-zone.

Figura 2 ilustreaza panoul de layout pentru schema releului cu microprocesor. Cerinta de spatiu pentru schema releului cu microprocessor este mult mai mica decat cea a schemei releului electromecanic.

Avand in vedere costul tutoror releelor in cazul schemei electromecanice care este de 1 pe unitate, costul schemei releului cu microprocessor este de 0.35 p.u.

Figura 1. Schema tipica a unui Figura 2. Schema tipica a unui releu bazat

panou electromagnetic pe microprocesor

Cerinte de proiectare

Circuitele ac si dc pentru schemele electromecanice sunt mult mai complexe decat cele folosite pentru schemele relelor cu microprocesor. Figura 3 ilustreaza o schema atipica de ac si figura 4 ilustreaza o schema tipica dc pentru schema releului electromecanic. Fiecare releu discret trebuie sa fie conectat cu celelalte relee discrete pentru a dezvolta schema de protectie necesara. Costurile de instalare si proiectare pot fi destul de mari datorita numarului mare de conexiuni si complexitatea relative a schemei totale.

Figura 3: Schema tipica a unui releu electromecanic AC

Figura 4: Schema tipica a unu releu electromagnetic DC

Figurile 5 si 6 prezinta circuitele AC si DC pentru schema unui releu bazat pe microprocesoare. Sa se ia in considerare faptul ca si cu releul de prisos folosit pentru back-up-ul protectiei, numarul de conexiuni si complexitatea sa sunt foarte scazute. Asadar, se reduce costurile de instalare si de proiectare.

Figura 5: Schema unui releu AC tipic bazat pe microprocesoare

Figura 6: Schema unui releu DC tipic bazat pe microprocesoare

Avand in vedere costul de proiectare si de instalare a releelor electromecanice care este de 1 p.u., costul proiectarii si instalarii unei scheme de releu cu microprocessor est de aproximativ 5p.u.

Testele la instalare

Testele la instalare sunt folosite pentru a verifica daca releele sunt setate corect si ca schema este proiectat corect pentru aplicatia respective. Testele de rutina sunt efectuate pentru a asigura functionarea releelor conform standardelor.

O schema proiectata cu un releu electromecanic necesita un numar mare de teste in timpul instalarii pentru a ne asigura ca schema functioneaza normal. Fiecare releu discret trebuie sa fie testat si calibrat.

Pentru schemele de distanta cu pasi de timp, trebuie testate cel putin sapte relee discrete. Testarea fiecarui releu necesita ca releul sa fie conectat la echipamentul de test, trebuie facute diverse ajustari de test si releul este testat pentru un test de rutina stabilit. Daca rezultatele releului nu se incadreaza in standard, releul trebuie calibrat. Rutina de calibrare poate consuma foarte mult timp.

Dupa ca fiecare releu este testat, schema trebuie testate in privinta excursiei pentru a ne asigura ca toate conexiunile si circuitele de excursie sunt corecte. De multe ori aceasta verificare a unui scheme electromecanice este o simpla inchidere si deschidere a unui contact. Astfel, acest lucru poate fi foarte simplu. Oricum, datorita multor dispozitive discrete folosite in schema, verficarile de tensiune pot consuma foarte mult timp, si in cazul unei erori de conexiune, necesita foarte mult timp pentru cautarea defectului.

O schema de releu cu microprocessor este foarte simplu su usor de teastat. Acest tip de releu functioneaza cu un program software. Functionarea diverselor functii logice a fost pe deplin verificata si testata de catre fabricantul releului. In multe cazuri, utilitatea a testat de asemenea si releul pentru e ne asigura ca releu este in conformitate cu specificatiile date de fabricant. Odata ce releul a fost verificat complet, software-ul care defineste caracteristicile de functionare a releului este verificat. Astfel, nu este necesara verificarea completa a fiecarui releu deaorece acestea sunt identice si au acelasi program instalat.

Testele de instalare pentru releele cu microprocessor trebuie sa fie proiectate pentru a verifica ca saterile releului au fost introduce correct. Seriile de teste trebuie sa fie proiectate pentru a verifica releul in pucnte critice. De exemplu, elementele de distanta trebuie testate la un unghi de maxima rasucire de +/- 30 de grade a unghiului maxim de rasucire. Aceste puncte de test verifica setarile elementelor de distanta. Elementele de supracurent trebuie testate folosind un simplu test de rutina.

Verificarile de exursie folosind un releu cu microprocesor sunt foarte simple datorita faptului ca sunt foarte putine contacte de a verifica si mai putine cablaje de verificat. In multe cazuri, o comanda data de un program poate fi folosita pentru a inchide contactele de iesire specifice. Folosind o comanda de program pentru a inchide iesirile releului este mult mai simpla decat conectarea unor surse de test de curent si tensiune la releu pentru a simula erorile.

Teste de rutina

Teste de rutina trebuie efectuate pe relee electromecanice pentru a verifica daca functioneaza in parametrii normali. Aceste teste pot fi la intervale de la unu la trei ani pentru releele de distanta pe baza unui functionari specifice. Testele de rutina efectuate pe relee electromecanice sunt foarte similare celor celor effectuate in timpul procesului de instalare. Aceste relee trebuie testate in mod complet pentru a verifica ca toate componente interne functioneaza in tolerantele specificate. Testele de rutina de asemenea confirma ca toate contactele si circuitele externe functioneaza correct.

Releele cu microprocessor efectueaza ele insele teste de rutina pentru a se asigura ca circuitele critice din interiorul lui functioneaza corect. Lucrarile anterioare [1] [2] descriu filosofia testarii si auto-testarii releelor cu microprocessor.

Releele cu microprocessor ruleaza in mod continuu aceste programe software de rutina. Astfel, daca releul functioneaza corect, algoritmii releului functioneaza corect. Intretinerea de rutina la un releu cu microprocessor este formata din verificarea intrarilor, iesirilor si sistemul de achizitie al datelor daca functioneaza corect. Daca releul masoara corect curentii analogici si tensiunile si auto-verificarea arata ca releul functioneaza corect, releul functioneaza corect. Celelalte verificari sunt necesare pentru a verifica daca intrarile logice si contactele de iesire functioneaza corect.

Fiind dat releul cu microprocessor care include un system de auto-verificare si un system de achizitie de date care sunt folosite,rutina de intretinere poate fi semnificativ redusa.Multe din utilitati au extins ciclul ruinei de intretinere releelor pe baza de microprocessor de la 1 la trei ori fata de releele electromecanice.

Alte caracteristici ale releelor cu microprocessor

Aceste relee ofera multe alte caracteristici fata de releele electromecanice care nu le ofera asa cum ar fi localizarea erorii, raportarea evenimentului, functii avansate de masurare si capabilitatea de a controla.

Localizarea erorii a devenit o caracteristica standard la aproape toate releele cu microprocesor. Informatiile despre localizarea erorii reduce timpul de verificare fiind aproape identice cu liniile de eroare. Aceste informatii pot fi de asemenea folosite pentru a evalua zonele cu probleme pe liniile de transmisie.

Inregistrarea evenimentului furnizeaza date elementelor interne de functionare ale releului si undele de forma ale curentilor si tensiunii la timpul functionarii. Acest lucru este similar cu a avea un element de inregistrare al erorilor la fiecare element care se defecteaza acolo unde este instalat un releu cu microprocessor. Informatia despre evenimente este o unealta foarte pretioasa in a evalua releul si performantele sistemului.

Releele pe baza de microprocesoare furnizeaza si cantitati analogice masurate asa cum ar fi curenti tri-fazati, tensiuni, megawatti si megavari. In majoritatea cazurilor sunt necesari conevertori analogici. Datele pot fi afisate si direct in digital cu SCADA RTU. De asemeena poti trimite informatii despre localizarea greselii catre centrul sistemului de control pentru a trimite o echipa de interventie.

Aplicatii ale releelor cu microprocessor

Releele cu microprocessor pot fi folosite in orice aplicatie in care releele electromecanice sunt folosite.  Aceasta sectiune prezinta multe din aceste aplicatii.

Reamintirea schemelor mai vechi de relee

Pe masura ce releul electromecanic se defecteaza sau intretineera devine din ce in ce mai intensive, se justifica inlocuirea lor. Releele pe baza de microprocessor sunt perfecte pentru inlocuirea sistemelor de protectie existenta. Releele cu microprocesor foloseste mai putin spatiu de control decat releele electromecanice. Schemele si principiile de functionare sunt aproape identice. Cablarea s-a simplificat si poate fi usor modificata pentru a fi integrate in noile relee. Costurile de inlocuire sunt de asemenea foarte mici si unt in legatura cu inlocuirea totala, in toate cazurile, chiar si in cazul releului electromecanic.

De cand releele cu microprocessor folosesc aceleasi principii de functionare ca si releele electromecanice, avem optiunea de a inlocui un terminal al liniei de transmisie. Aceasta optiune este buna de luat in consideratie atunci cand liniile conecteaza alte utilitati sau cand releele de la un capat se defecteaza dar releele de la celalalt capat functioneaza inca.

Noile instalatii

Atunci cand se construieste o statie de transformare sau linii de transmisie, este foarte usor de justificat alegerea releelor cu microprocesor. Sunt foarte eficiente din punct de vedere financiar. Pot fi integrate obsolut in orice schema de protectie. Reducandu-se panoul de cablare si cerintele de spatiu se face economie financiara atunci cand se construiesc noi substatii.

In multe cazuri cand liniile noi de transmisie exista deja in substatii, spatiu panoului de control este foarte limitat. Din nou, din moment ce releele cu microprocesor furnizeaza scheme cu protectie completa folosind foarte putin spatiu, sunt perfecte pentru aceasta aplicatie.

Scheme ajutatoare de comunicatie

Multe relee cu microrpocesor include scheme logice de comunicatie. In cele mai multe cazuri, releele includ toata logica necesara pentru a functiona intr-o anumita schema de comunicatie. Acest lucru economiseste timp de proiectare si costuri de materiale din moment ce releele externe auxiliare nu sunt necesare pentru aceasta operatie. Releele cu microprocesor includ de asemenea multa logica care ar fi fost integrata in echipemanetele de comunicatie. Folosind logica interna a releului se poate reduce costul sistemelor de comunicatie din moment ce nu mai sunt necesare module in plus.

Releul ofera de asemenea selectia diferitelor scheme de comunicatie cu excursie. Acest lucru inseamna ca se poate standardiza un singur releu pentru toate aplicatiile.

Inlocuirea comutatorului/intrerupatorului de linie

La multe aplicatii de joasa tensiune, nu se justifica aplicarea schemelor cu intrerupatoare multiple. Cand un intrerupator este indepartat pentru intretinere, se doreste ca linia sa ramana in functiune. In multe cazuri, magistrala substatiei este configurata pentru a permite intrerupatorului inlocuit sa functioneze pe linine in loc de intrerupatorul liniei principale [3]. Figura 7 ilustreaza o aranjare tipica a magistralei de transfer, unde intrerupatorul magistralei poate fi folosit ca un inlocuitor pentru trei intrerupatoare de linii ramificate asa cum se arata in diagrama.

Figura 7: Bus-ul principal si de transfer

In legatura cu Figura 7, se pare ca releele unice trenuei sa fie folosite pe intrerupatorul de magistrala pentru fiecare linie. Alta optiune este de a folosi un set de relee cu setari commune sis a se schimbe raportul aparent al potentialului la releele care folosesc un comutator selector cu un anumit domeniu. Oricum, acest comutator este foarte scump si nu are cele mai bune setari pentru linie.

Unele relee cu microprocesor ofera multiple grupuri de setare in interiorul unui dispozitiv. De asemenea, releele permit un numar de setari independente pentru aplicatii asa cum ar fi intrerupatorul magistralei. Grupul de setari multiple inseamna ca avem un numar de relee independente in interiorul unui singur releu. Astfel, un singur releu poate fi aplicat intrerupatorului de magistrala si fiecare setare unica de linie poate fi introdusa in releu. Protectia liniei nu este compromisa folosind intrerupatrul de magistrala din moment ce setarile se potrivesc cu cele de la liniile primare ale releului.

Schimbarea setarilor releelor pe baza configuratiei sistemului

In orice schema de distanta cu protectie, trebuie sa fie un element de depasire pentru a proteja impotriva erorilor pe sectiunea liniei care nu este protejata de catre elemnete de excursie. Un unele configuratii de linie, impedanta lineii se poate schimba sub anumite conditii de comutare.

Figura 8 ilustreaza o linie de transmisie care are o statie de distributie cu incarcare in bucla. In mod normal, ambele intrerupatoare la statiile in bucla sunt inchise. In unele situatii, se poate indeparta un intrerupator, iar intrerupatorul de bypass al statie sa fi inchis. Schimbarea din impedanta liniei previne ca elemnetele Zonei 2 din sursa statiei de la acoperirarea intregii sectiuni.

Figura 8: Setarile releului pentru adaptarea schimbarilor de linie

Cu relee care ofera multiple grupuri de setari, aceste setari pot fi schimbate la statii fara a trimite vreun operator sau technician. Setarile pentru ambele configuratii ale liniei sunt introduce in doua grupuri separate de setari ale releului. Sub configuratie normala aceste relee sunt selectate pentru grupul de setari 1. Cand comutatorul de bypass al statiei este inchis, releele se schimba la grupul de setari 2. Setarile pot fi facute prin intermediul unui centru de operare sau poate sa fie facut automat.

Aplicatii diverse ale sistemelor

Releele cu microprocessor din ziua noastra ofera si logica programabila. Logica programabila permite utilizatorului sa defineasca opepartia releului si sa inventeze scheme unice de protectie. De asemenea releul ofera o mare varietate de elemente si scheme de protectie. Flexibilitatea oferita de aceste relee permit aplicatii la nivele de tensiune foarte mari. In multe cazuri, utilitatile au plicatii standardizate pe un singur releu care variaza de la 69kV pana la 500kV.

Analiza sistemelor energetice

Releele cu microprocessor inregistreaza conditiile sistemului cand elementele de protectie functioneaza sau cand conditiile pre-definte de utilizator au loc. Unealta de inregistrare a evenimentelor este foarte pretioasa in sistemele energetice si in analiza performantelor releelor.

Informatiile despre evenimente trebuie sa fie folosite pentru a evalua performantele releului. Punand in revista aceste informatii se formeaza o unealta de intretinere foarte folositoare. Evenimtul arata semnalele dc si ac pe care releul le masoara in timpul distorsiunilor si de asemenea arata cand releul inchide contactul intrerupatorului.

Analiza informatiilor despre evenimente este o unealta mai precisa si mai folositoare decat testele simulate pentru ca releele raspund ueni erori reale. Astfel, performanta adevarata a unui releu poate fi evaluate. Raportul despre evenimente poate de asemenea sa arate probleme in controlul iesirilor si intrarilor. Analiza acestor rapoarte poate furniza informatii valoroase care duc la o imbunatatire generala a schemei.

CONCLUZII

Releele cu microprocessor ofera multe avantaje si beneficii fata de releele electromecanice:

1. Consturi reduse de instalare

2. Costuri reduse de intretinere

3. Flexibilitate in aplicatii

4. Monitorizare imbunatatia si control al functiilor

Folosirea releelor cu microprocessor a devenit foarte obisnuita. Multe din utilitati iau din avantajele si noile caracteristici ale inovatiilor oferite de care aceste relee.

Noi dezvoltari in domeniul releele cu microprocessor ofera beneficii in plus prin costuri reduse prin imbunatatirea functiilor si caracteristicilor acestor relee.

Bibliografie