Анализ и разработка комплекса релейной защиты и автоматики сетей 6÷35 кВ выполненного на микропроцессорной элементной базе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Тянь Чжун Лу

• Тянь Чжун Лу
• кандидат технических наук
• 1996

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тянь Чжун Лу

ВВЕДЕНИЕ.

1. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ.

1.1. Общая характеристика микропроцессорных устройств РЗ и А.

1.2. Аппаратная часть программной мультипроцессорной защиты.II

1.2Л. Система сбора данных (ССД).

1.2.2. Цифровая система ввода-вывода(ЦСВВ).

1.3. Цифровые фильтры.

1.4. Алгоритмы процессорной защиты.

2. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ РЗ И А.

2.1. Общая характеристика защищаемого объекта.

2.1.1. Характерные режимы управляемого объекта.

2.1.2. Особенность требований к устройствам РЗ и А.

2.2. Разработка типовых алгоритмов РЗ подстанции.

2.2.1. Релейная защита трансформатора.:.

2.2.2. Защита электродвигателей.

2.3. Алгоритмы пусковых органов.

2.4. Разработка алгоритмов автоматики МСЗА (АПВ и АВР).

2.4.1. Алгоритм АПВ.

2.4.2. Алгоритм АВР.

2.5. Реализация комплекса релейной защиты и автоматики на примере подстанции, питающей синхронные двигатели.

2.5.1. Распределение устройств сбора данных.

2.5.2. Базы данных МСЗА.

2.6. Тестирование программного обеспечения.

3.ВЫБОР СТРУКТУРЫ ВС ПО УСЛОВИЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ РЗИА.

3.1. Общие положения.

3.2. Обеспечение б ыстродейств ия ВС.

3.3. Особенность выполнения мультипроцессорной системы РЗ и А (МСЗА).

4.НАДЕЖНОСТЬ МУЛЬТИПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ РЗ.

4.1. Особенности оценки надежности мультимикропроцессорных защит.

4.2. Расчетные значения требуемых наработок на отказ элементов ВС.

4.3. Классификация влияния отказов и сбоев элементов микропроцессорных защит на их функционирование.

4.4. Распределение параметров потоков отказов между элементами аппаратуры ВС.

4.5. Алгоритм оценки надежности РЗ, выполненной на ВС.

4.6. Обеспечение надежности МСЗА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и разработка комплекса релейной защиты и автоматики сетей 6÷35 кВ выполненного на микропроцессорной элементной базе»

История разработки и внедрения устройств релейной защиты и автоматики (РЗ и Л),выполненных на основе элементов вычислительной техники, насчитывает порядка 30 лет. Первые теоретические разработки по использованию вычислительной техники для реализации функций релейной защиты были проведены в шестидесятых годах /1/. Тогда же были реализованы и первые лабораторные установки /2,3/. Характерной особенностью работ в указанном направлении на начальном периоде являлось отсутствие практически приемлемых образцов вычислительной техники, удовлетворяющих высоким требованиям РЗ прежде всего в части быстродействия и надежности. Исследования были сосредоточены преимущественно в теоретической области в попытках найти алгоритмы функционирования РЗ, позволяющие повысить техническое совершенство защит и ориентированные на реализацию в программном виде на ЭВМ./ 2,4,5,6,7/. В частности, разрабатывались алгоритмы программных измерительных органов защит разного типа/4,7/, значительное внимание уделялось возможностям выполнения измерительных органов, обладающих повышенной устойчивостью функционирования в условиях помех, в том числе порождаемых электромагнитными переходными процессами при КЗ на элементах энергосистемы высокого и сверхвысокого напряжения /8/. Были разработаны эффективные алгоритмы цифровой частотной фильтрации /8/, а также алгоритмы, основанные на выделении принужденной составляющей 50 гц. путем анализа и компенсации помехи/9/.

Практическим результатом этих работ явилась разработка комплекса алгоритмов, в значительной степени приемлемых для реализации в программном виде. Вместе с тем, очевидно было отставание в разработке аппаратной части, отвечающей жестким требованиям, характерным для РЗ. Это объясняется преимущественно недостаточно высоким уровнем развития аппаратуры вычислительной техники, применительно к предполагаемому внедрению. Ограничения исходили прежде всего из относительно невысокого быстродействия, особенно при выполнении арифметических операции над цифровыми данными, представленными в форме с плавающей запятой. Значительные проблемы возникали при вводе от АЦП выборок входных контролируемых величин, поступающих, как правило, с незначительным шагом дискретизации порядка миллисекунд, особенно при большом числе входных величин. Аппаратная надежность элементов вычислительной техники существенно уступала требованиям по надежности РЗ, что создавало подчас неразрешимые проблемы при обеспечении приемлемой надежности функционирования программных РЗ. В плане серийного выпуска и широкого внедрения программных защит не последнюю роль играла высокая стоимость аппаратной н программной части РЗ.

Поэтому, на данном этапе разработки в основном заканчивались выполнением отдельных лабораторных установок, часть из которых проходила испытания как правило в единичных экземплярах/3,10/. В итоге можно сделать заключение, что хотя начальный этап и не завершился разработкой и внедрением серийных образцов программных защит, он оказался необходимым и полезным для последующих работ, так как позволил более детально ознакомиться с проблемами выполнения программных РЗ, сформулировать требования к аппаратной и программной части РЗ, а в программной части н предложить ряд перспективных алгоритмов.

Значительные изменения произошли в конце 70-х, начале 80-х годов с появлением элементов вычислительной техники с более высокими показателями быстродействия и надежности. Выпуск и широкое распространение микропроцессорных наборов решающим образом оказало влияние на разработку и серийное внедрение выполненных на их основе программных защит. Огромное значение имело такое свойство микропроцессорных наборов, как возможность компоновки на их основе мультипроцессорных вычислительных систем (MBQ самой разнообразной конфигурации. Возникла возможность практической реализации существовавшей заметное время без практической поддержки со стороны вычислительной техники идеи параллельных вычислений/1 1,12,13,14,15,16/, когда включенные в МВС микропроцессоры выступают как коллектив вычислителей с параллельным (одновременным) выполнением отдельных частей сложного алгоритма, за счет чего качественно повышается эквивалентное быстродействие при выполнение той или иной задачи /12,15,16/. Наличие в составе мультипроцессорной ВС взаимозаменяемых элементов ( микропроцессоров, запоминающих устройств и т.д.)создало принципиально новые возможности построения надежных вычислительных структур из относительно малонадежных элементов /17/.

Отмеченные возможности вычислительной техники создали условия практической реализации в конце 80-х, начале 90-х годов ряда программных защит, доведенных до серийного изготовления. Особенностью выпускаемых программных защит является относительно узкое функциональное назначение отдельных микропроцессорных установок. Программные защиты в значительной степени повторяют структуру комплексов РЗ традиционного исполнения, когда отдельная панель РЗ функционально реализовала тот или иной тип защиты отдельного защищаемого присоединения. Вместе с тем, наличие в мультипроцессорной ВС практически произвольного числа микропроцессоров, выбираемых в каждом конкретном случае ее использования, позволяет несколько по иному строить комплекс релейной защиты и автоматики управляемого многоэлементного объекта в целом. В частности, в единой структуре могут быть объединены достаточно разнообразные функции РЗ и А одного элемента, а также возможно выполнение комплекса РЗ и А многоэлементного объекта, включающего разнотипные элементы. Такая принципиальная возможность отмечалась в ряде работ /17,18/, однако подробного анализа перспективности такого подхода с практической проверкой на конкретных реализациях не проводилось.

Целью настоящей работы явился анализ целесообразности объединения функций РЗ и А многоэлементного электро-эиергетического объекта с разработкой методики проектирования РЗ и А, реализованной на мультипроцессорной ВС. Типы устройств РЗ и А существенно зависят от вида объекта, уровня напряжения и состава элементов. Для исследования прежде всего в экспериментальной часта выбран типовой объект 6/35 кв., представляющий собой фрагмент системы электроснабжения промышленного предприятия . Вместе с тем, основные теоретические результаты обобщаются на более широкий класс объектов.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Тянь Чжун Лу

вывода

МП6

Рис.4.4. Укрупненная схема однократного резервирования по несрабатыванию

Из таблицы 4.2 и 4.5 получены требуемые параметры потока ложных срабатываний (о>л х .Р -1 /Тле =0.57 х Ю~6) и параметр потока ложных срабатываний, обеспечиваемый одной минимальной вычислительной системой (МВС) (ол .с =7.988 х 105) в данном варианте. По выражениям^. 10 ^-4.11 и 4.3) для схемы однократного резервирования по несрабатыванию получено максимальное значение коэффициента неготовности по ложному срабатыванию одной МВС для разрабатываемой системы РЗ (рис.4.4), оно составляет Цнглс.гаах =3.56 х Ю'3. Если в разработанной резервированной системе коэффициент неготовности по ложным срабатываниям одной МВС превышает этот порог, то резервированная схема (рис.4.4) не будет пригодна из-за неприемлемого ложного срабатывания. Поэтому на этом этапе может оценить пригодность ВС с однократным резервированием по коэффициентам неготовности к ложным срабатываниям одной МВС, полученным в таблице 4.11. Очевидно, при qo=0, период проверки (Тпр) должен быть не больше 140 часов, при qo=4x 10^ — не больше 120 часов, при qo=8x 10 4 — не больше 100 ч. Результаты свидетельствуют о том, что со снижением качества проверки уменьшается максимальный интервал времени между проверками. Но это пока лиши предварительная грубая оценка по одному ключевому показателю. Окончательная оценка надежности ВС должна быть завершена только после получения всех наработок на отказ для рассматриваемой схемы (рис.4.4).

Для схемы однократного резервирования по срабатыванию (рис.4.4) по выражению (4.11) получены параметры потока отказа несрабатывания в режимах без КЗ , с помощью формулы (4.1) получены и наработки на отказ для этого потока отказа. По выражениям (4.4,4.8) получены наработки на отказ для потока отказа несрабатывания прн внешних КЗ , а по формулам (4.2 -г- 4.4 и 4.9) вычислены и наработки на отказ для потока отказа срабатывания при внутренних КЗ. Надо отметить, что выражение (4.4) имеет определенные ограничения: когда коэффициент неготовности (qtu) по той или иной функции защиты оказывается меньше значения, отражающего качество проверки qo (qHr < qo), формула (4.4) теряет смысл. В этом случае из выражения (4.2) получим следующее выражение для расчета наработки на отказ :

То =-^--(4.15) q[ir (/viP + /v пр)

Все члены формулы имеют тот же смысл, что было в выражении (4.2).

Таким образом в этом варианте определены все показатели надежности по трем функциям защиты для схемы однократного резервирования по несрабатыванию (рис.4.4), а именно наработки на отказ, приведенные в таблице 4.12.

Из сравнения результатов, представленных в таблице 4.12 с требованиями, приведенными в таблице 4.2 можно с приемлемой точностью сделать вывод о том, что при использовании высоконадежных элементов может быть применен вариант ВС с однократным резервированием по несрабатыванию с требованиями на определенные качество проверки и ограниченные интервалы времени между проверками, представленными в таблице 4.13.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам диссертационной работы могут быть сделаны следующие выводы:

1. Разработаны алгоритмы типового комплекса РЗ и А системы электроснабжения напряжением 35/6 кВ с учетом их совместной реализации на мультипроцессорной вычислительной системе.

2. Предложен алгоритм зависимой характеристики защиты двигателей от перегрузки адаптивного типа, учитывающий изменение режима двигателя в течения перегрузки.

3. Разработан, отлажен и испытан комплекс программного обеспечения, реализующий алгоритмы РЗ и А системы электроснабжения, а также программа, моделирующая режимы сети для испытаний комплекса.

4. Применительно к разработанному комплексу программного обеспечения предложена минимальная по условию обеспечения быстродействия РЗ и А структура мультипроцессорной системы. Выявлены устойчивые временные соотношения, определяющие характерную структуру для широкого набора реализуемых устройств РЗ и А.

5. Проведен анализ ряда методов обеспечения надежности функционирования РЗ и А и выполнены расчеты показателей надежности РЗ и А для широкого диапазона исходных данных по надежности элементов ВС.

6. Выявлены наиболее эффективные методы повышения надежности применительно к рассмотренному комплексу РЗ и А и предложены целесообразные структуры ВС с учетом обеспечения надежности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тянь Чжун Лу, 1996 год

1. Gilcrest G.B., Rockefeller G.D., Udren E.A. Highspeed distance relaying using a digital computer. — IEEE Trans.on PAS-91,1972, N2. Pt.2 — Test results.

2. Зисман Л.С., Митрофанов Н.Н. Дистанционная защита BJIc применением управляющего вычислительного комплекса. -Известия АН СССР. Энергетика н транспорт. №4.1982. С.35-45.

3. Евреинов Э.В.,Хорошевский В.Г. Однородные вычислительные системы. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. 1978. -320 с.

4. Прангишвили И.В.,Стецюра Г.Г. Микропроцессорные системы. — М.: Наука. 1980. -225 с.

5. Головкин Б.А. Расчет характеристик и планирование параллельных вычислительных процессов. — М.: Радио и связь, 1983 — 273 с.

6. Васильев В.В., Кузымук В.В. Сети Петри, параллельные алгоритмы и модели мультипроцессорных систем. — М.: Наукова думка, 1989. —213 с.

7. Белецкий В.Н. Многопроцессорные и параллельные структуры с организацией асинхронных вычислений. — М.: Наукова думка, 1988 — 240 с.

8. Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы. — М.: Наука, 1980 —519 с.

9. Барабанов Ю.А. Надежность и быстродействие микропроцессорных устройств релейной защиты. — М.: МЭИ, 1992. — 81 с.

10. Фомченков А.П. Разработка и исследование комплекса защит ЛЭП 110-330 кВ с применением микропроцессорных вычислительных систем. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. — М.: МЭИ, 1984, — 194 л.95 с.

11. Барабанов Ю.А., Васильев А.Н. Разработка технических требований по эксплуатационной надежности микропроцессорной резервной защиты ЛЭП 1150 кВ. — М.: МЭИ, 1990. — 48 с.

12. Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. — М.: энергоатом из дат, 1984. — 520 с.962. — /95c.23. fct*, M-W. ft* +fctA, i9S6,—4J9 c.24. tWXH —> /994. — //4c.

13. Антонью Андреас. Цифровые фильтры: анализ и проектированиеперевод с англ. В.А.Лексанченко, 1983.

14. Хемминт Р.В. Цифровые фильтры. Пер. с англ./ Под ред. А.М.Трахтмана. — М.: сов. радио, 1980. — 224 с.

15. Барабанов Ю.А., Васильев А.Н. Разработка автоматизированных систем управления отдельными объектами энергетических систем на базе УВМ — М.: МЭИ, 1982. — 59 с.

16. Рабинер JI., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов /Пнр. с англ. М.: мир, 1978.

17. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. — Л.: Энергоатомиздат, 1990. — 192 с.1. Ш, — 262с.33 . Л* .405 c.% a * fi* * Ж # ¥ fc tt fc ^ £ * ^Rifc1 Jt, /ЗЙ6. —405c.

18. М.А.Шабад. Релейная защита и автоматика на электроподстанциях, питающих синхронные двигатели — JL: Энергоатомиздат, 1984. — 64 с.

19. Сыромятников И.А. Режим работы асинхронных и синхронных двигателей. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 240. с.

20. Гамм Б.З., Тонышев В.Ф. Выявитель асинхронного режима по фазовому углу синхронной машины. — Промышленная энергетика, 1985,№6, с. 21-26.

21. Правила устройства электроустановок — М.: Энергоиздат, 1981.

22. Абрамович Б.Н., Круглый А.А. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. — JI.: Энергоатомиздат. Ленигр. отд-е, 1983. — 128 с.

23. Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей — М.: Энергия, 1977. — 216 с.

24. Казовский Е. Я., Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г., Рубисов Г.В. Анормальные режимы работы крупных синхронных машин — Л.: Наука, 1968. —429 с.45