книги / Микропроцессорная система релейной защиты энергоблоков

носительной селективностью. В этом случае основными средствами обеспечения селективности являются согласование характеристик срабатывания, выдержек времени, контроль внешних связей объекта защиты. В общем случае для обеспечения абсолютной селективности необходим контроль РЗ всех внешних связей объектов (полно­ связная РЗ).

Другое свойство — чувствительность к виду повреждений — зависит от контролируемых параметров {Xj} , позволяющих одно­ значно идентифицировать определенный вид повреждения в л-мер- ном пространстве этих параметров. Чувствительность РЗ ограни­ чивается, с одной стороны, требованием нечувствительности к дру­ гим видам повреждения, а с другой — требованием селективности. При практической реализации РЗ эти требования ограничивают чувствительность к повреждению некоторым ее порогом, минималь­ ным значением параметра срабатывания (1СМ(Ш, zc мин и др.). При этом для обеспечения устойчивости к излишним и ложным сраба­ тываниям при исправной РЗ ICfMHI1 отстраиваются от максимальных расчетных небалансов или максимальных значений контролируемых параметров в режимах, когда РЗ не должна срабатывать, с по­ мощью нормируемого коэффициента отстройки (запаса) котс(кзап) [22]. Этот коэффициент можно рассматривать как относительный показатель устойчивости несрабатывания без внутренних КЗ. В ка­ честве показателя устойчивости селективности ку с следует исполь­ зовать следующее выражение: ку с= к отс-кч.

Быстродействие РЗ на системном уровне — сложное свойство, характеризующее функциональное быстродействие и время управле­ ния системой РЗ. Функциональное быстродействие характеризует время отключения КЗ на защищаемом объекте основными и резерв­ ными защитами. Абсолютный показатель функционального быстро­

где n0, np — число основных ифрезервных защит.

На компоненты вектора Тф определенное влияние оказывает быстродействие устройств связи с объектом защиты (УСО) tyco, которое зависит от задержки во входных цепях tMи времени действия исполнительных органов УРЗ tHQ. Другая составляющая любой компоненты — быстродействие информационно-вычислительных средств РЗ. Здесь важнейшими элементами являются интервал наблюдения — время, необходимое для выделения с заданной точ­ ностью параметров, идентифицирующих повреждение; ступень селективности и затраты времени на программную или аппаратную реализацию алгоритмов защиты. Основные пути повышения быстро­

действия: поиск и выбор контролируемых параметров с минималь­ ным интервалом наблюдения, т. е. с максимальным алгоритмическим

с максимальной производительностью; упрощение программных средств РЗ.

Время управления системой определяется затратами времени на автоматическое и ручное управление ею: ввод или вывод из дей­ ствия ее элементов, диагностику, восстановление или реконфигура­ цию. Показатель времени управления Ту — вектор, компоненты которого имеют вероятностный характер (среднее время восстанов­ ления, среднее время диагностики и т. д.). Основное.средство сокра­ щения времени управления СРЗ — автоматизация диагностики и перестройки системы, создание сервисных аппаратных и программ­ ных средств.

Устойчивость функционирования СРЗ — сложное свойство, включающее: устойчивость к внешним воздействиям (электромагнит­ ным помехам, механическим, климатическим и др.); устойчивость к отказам аппаратных средств (АпС) и программных средств (ПС) — свойство надежности функционирования систем; точность функцио­ нирования. Надежность РЗ — комплексное свойство, включающее ряд простых, основные из которых [4]: безотказность, живучесть, долговечность, ремонтопригодность, сохранность и безопасность. Дальнее и ближнее резервирование РЗ — средства обеспечения живучести СРЗ блока при отказе РЗ на объекте. За счет распреде­ ленности средств РЗ достигается не только живучесть СРЗ объекта, но и устойчивость ЭЭС.

Гибкость — свойство системы, позволяющее изменять ее струк­ туру, функции, алгоритмы, состояние и параметры на этапе проек­ тирования (проектной привязки к объекту защиты) или эксплуата­ ции [44]. На последнем этапе изменения могут производиться авто­ матически и(или) оператором в процессе нормального функциони­ рования, а во время профилактики, настройки, восстановления — оператором. Гибкость СРЗ зависит от степени гибкости аппаратных и программных средств. Это — сложное свойство, включающее в себя управляемость и перестраиваемость. В СРЗ должна быть за­ ложена потенциальная возможность ее адаптации к конкретному 0 3 на этапе проектирования (что общепринято) и адаптации к изменив­ шимся условиям функционирования 0 3 в процессе эксплуатации, когда на этапе проектирования трудно однозначно предсказать воз­ можные изменения, а следовательно, и способы адаптации СРЗ. Приемлемый выход в такой ситуации — иметь систему, средства которой (ПС или АпС) инвариантны к изменению функций и алго­ ритмов защиты. Задача облегчается тем, что для достаточно широ­ ких классов 0 3 (турбогенераторы, блоки, силовые трансформаторы,

зз

ВЛ) множество функций Ffl защиты от КЗ и ненормальных режимов достаточно стабильно и неизменно. Для каждого i-ro объекта в зави­ симости от его параметров и связей с энергосистемой регламенти­ рованы подмножества функций защиты [22]:

где щ — число возможных вариантов защиты объекта данного класса.

Тогда в качестве показателя функциональной перестраиваемости k-й СРЗ целесообразно использовать

£

R* = 1 0 Foj|/|F 0|

i=l

где / — число вариантов F^j защиты объекта данного класса, реа­

ния подмножеств и множества F0.

Управляемость СРЗ связана с ее функционированием на кон­ кретном объекте и ее способностью обеспечить функционирование в соответствии с заданными требованиями к качеству РЗ. Потреб­ ность в управлении, кроме тривиального случая ввода в работу или вывода, появляется тогда, когда возможно уменьшение затрат ре­ сурсов АпС или ПС с помощью введения специальных средств управления (переключатели, программы, программы-диспетчеры

ит. д .). Тогда эти средства путем изменения структуры, алгоритмов, функций формируют определенное множество состояний системы, которое обеспечивает выполнение всех функций системы с задан­ ным уровнем качества. Чтобы количественно оценить качество СРЗ на основе структуры ее свойств, необходимо иметь систему его показателей. Совокупность известных и получивших распростране­ ние показателей неполна, отсутствуют обобщенный (комплексный)

иинтегральный показатели качества РЗ. На практике для оценки качества функционирования РЗ используется статистический пока­

затель т), называемый процентом правильных действий [43]:

отказов в. срабатывании за год; пи с, пл с — число излишних и лож­ ных срабатываний за год.

Как показывают статистические данные, в целом по стране в течение достаточно длительного срока правильное срабатывание РЗ составляет не менее 99,0%, а неправильное (излишнее или лож­ ное)—0,38—0,33%. Средняя периодичность правильного срабаты­

вания Р З — 1,5— 1,6 года, а неправильного срабатывания и отказов срабатывания —470 лет. Это весьма высокие общие показатели, они свидетельствуют об удовлетворительном уровне эксплуатации, проектирования и изготовления УРЗ. В то же время статистические данные говорят о том, что показатели функционирования СРЗ ге­ нераторов, трансформаторов, блоков существенно ниже: правильное срабатывание РЗ составляет 93%, ложные, излишние срабатывания и отказы срабатывания —7%. Причем последняя цифра для отдель­ ных защит, в том числе основных, может быть выше (до 10 и более процентов). Очевидно, что такое снижение качества функциониро­ вания РЗ ответственных объектов энергосистемы недопустимо, особенно это относится к РЗ мощных блоков турбогенератор — трансформатор, блочных атомных и тепловых электростанций. Не­ нормальные режимы и КЗ электрической части блока непосред­ ственно влияют на динамику тепловой части энергоблока — тур­ бину— парогенератор (реактор). Поэтому отказ или неправильное срабатывание РЗ блока, кроме увеличения размеров повреждения электрической части, могут привести к аварии в тепловой части. Кроме этого функционирование РЗ блоков приводит к увеличению числа остановов-пусков блока, а это увеличивает удельный расход топлива, снижает число часов использования максимальной нагруз­ ки, увеличивает объем плановых и внеплановых ремонтов оборудо­ вания блока.

Существующая тенденция создания комплексов и СРЗ обусло­ вила появление системных свойств РЗ. Поэтому разработка системы показателей качества предполагает: формирование множества Р единичных показателей; агрегирование их в комплексные; установ­ ление функциональных связей показателей различных уровней иерархии; выбор и обоснование обобщенного показателя качества (ОПК) СРЗ [42, 45]. Последний должен включать показатели свойств, существенно влияющих на результаты функционирования. Он должен быть мерой достижения целей СРЗ, степенью соответ­ ствия реальных результатов функционирования требуемым.

Кроме того на этапе принятия решения о внедрении и серийном производстве РЗ необходимо оценить технический уровень системы (ТУС) и интегральный показатель качества (ИПК), а в конечном счете экономическую эффективность СРЗ. ТУС — это относительная характеристика качества РЗ, основанная на сопоставлении значений показателей, характеризующих техническое совершенство оцени­ ваемого варианта с базовыми значениями. Техническое совершен­ ство РЗ определяется совокупностью показателей назначения, эко­ номного использования ресурсов, дизайна, стандартизации и уни­ фикации, технологичности.

Для оценки ТУС необходимо с помощью единичных показателей качества установить количественную характеристику, однозначно

ствующим затратам Зрсы ; рассчитывается интегральный показатель качества РЗ, который с учетом (1.3) можно представить в виде

1срз= (Зап Зрсм)Тсл/ [3cq>(t) —|—Зэ]

где Тсл — срок службы СРЗ.

2. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

2.1. Основные методологические принципы

На современном этапе разработка и внедрение РЗ должны осно­ вываться на системном подходе, иметь системный характер. Опыт создания ряда аналоговых и микропроцессорных систем выявил ряд методологических принципов, которые образуют процедуру, укрупненно отражающую процесс создания и внедрения технических систем (рис. 2.1). Безусловно, что системный подход обеспечивает экономию материальных ресурсов и сокращение сроков создания новой техники. Он нашел свое признание в области проектирования больших энергетических систем, однако в релестроении он не исполь­ зуется, что ведет к росту числа разработок отдельных УРЗ, позво­ ляющих решать частные задачи защиты.

На различных этапах создания СРЗ необходимо принимать реше­ ния, существенно на нее влияющие. Комплекс работ по принятию таких решений целесообразно определять как организацию системы. На первом этапе этой организации следует разработать структуру целей, достижению которых способствует создаваемая система. Это позволяет • упорядочить множество разнообразных целей, выявить их связи, выделить главные и второстепенные цели. Затем необхо­ димо определить совокупность функций, которые должна выполнять СРЗ, и упорядочить их, разработав иерархическую структуру (де­ рево) функций. Процесс формирования данной структуры — итера­ тивный, на последующих этапах она дополняется, уточняется и из­ меняется. Основываясь на выявленных целях и функциях системы, далее следует определить основные ее свойства, разработать струк­ туру качества РЗ и показателей основных свойств. При этом полу­ чают количественные оценки показателей качества существующих систем, которые необходимы в дальнейшем для оценки эффектив­ ности новой системы, выбора критериев и задания ограничений (технических требований). Весьма труден и важен этап формирова­ ния или выбора комплексного или интегрального показателя каче­ ства, наиболее адекватно отражающего поставленные перед системой цели. По сути это задача формирования глобального кри­ терия. В качестве такового может быть выбран показатель одного

показателей качества системы, обеспечивающих достижение по­ ставленных целей. Эти показатели должны ориентировать на созда­ ние системы, уровень которой выше уровня лучших систем, дающих значительный экологический, социальный, экономический эффект. Если ограничиться оценкой экономической эффективности (по­ скольку другие виды эффекта в настоящее время трудно опреде­ лить), то на данном этапе необходимо выполнить расчет лимитной цены системы. Это—верхний предел стоимости, обеспечивающий минимальную экономическую эффективность системы. Поэтому на всех дальнейших этапах следует или снижать ее действительную сто­ имость при заданных технических требованиях или улучшать техни­ ческие показатели. В обоих случаях экономическая эффективность увеличивается. Указанные этапы — это формирование, постановка задачи разработки* системы. На следующих этапах решаются во­ просы организации и проектирования системы, ее синтеза. СРЗ не­ прерывно контролируют состояние электроэнергетических объектов по совокупности параметров. Оценив объем входных и выходных потоков информации, и зная требования к быстродействию, можно определить требуемую общую производительность СРЗ. Далее формируется множество принципов, способов и алгоритмов иденти­ фикации КЗ и ненормальных режимов защищаемого объекта. Такое множество должно быть избыточным, чтобы обеспечить выбор алго­ ритма, оптимального в требуемом смысле. После этого необходимо сделать выбор элементной базы, вида обработки информации (ана­ логовая или цифровая), способа реализации алгоритмов (аппарат­ ный или программный).

Наличие заданных структуры функций системы, банка алгорит­ мов, принятые решения по элементной базе позволяют перейти к синтезу структуры аппаратных средств системы. Это трудноформализуемая задача, при решении которой важно учесть такие свойства, как надежность, живучесть, ремонтопригодность, гибкость, перестраиваемость и др. Вместе с тем отдельные весьма важные частные задачи — разработка структуры по критерию функциональной надежности, распределение ресурсов — решаются аналитически. Структура АпС существенно влияет на состав функций, реализуемых программным способом. На этапе разработки ПС следует синте­ зировать структуру показателей их качества, получить оценку объема, который может изменить структуру АпС, написать и отла­ дить программы, провести комплексные испытания в системе. По­ следний этап разработки — оценка качества и экономической эф­ фективности созданной системы.

Описанная процедура имеет итеративный характер: на каждом последующем этапе объем информации, в той или иной степени влияющей на уже принятое ранее решение, увеличивается. Поэтому возможен возврат на любой ранний этап с любого последующего.

2.2. Микроэлектронная элементная база релейной защиты

сталле (в корпусе) интегральные микросхемы делятся на малые, средние и большие ИМС. По функциональному назначению разли­ чают ИМС: логические, памяти, микропроцессорные, аналого-циф­ ровые. Набор функций, реализуемых ИМС, выполненных по одной технологии и совместимых по электрическим и временным пара­ метрам, образует функциональный ряд ИМС.

По технологии и схемотехнике различают биполярные ИМС — транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ), ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ), эмиттерно-связанную логику (ЭСЛ), интегральную инжекционную логику (И2Л ), униполярные ИМС с МОП-технологией с транзисторами р-типа (p-МОП), транзисторами п-типа (п-МОП) и транзисторами р- и n-типа (КМОП)

Наиболее полный функциональный ряд образуют ИМС типа ТТЛ и совместимые с ними ТТЛШ. Он включает 149 типов ИМС и обра­ зован сериями ТТЛ: 130, 131 (быстродействующие), 134 (маломощ­ ная); 133, 155, К155, КМ155; сериями ТТЛШ: 530, К531 (быстро­ действующие); 533, К555 (маломощные). Из МОП-технологий наибольшее применение получила КМОП. Ее функциональный ряд по полноте уступает ТТЛ, включает 72 типа ИМС и образован се­ риями: 164, К176 (маломощные); и К561, 544 (быстродействующие). Третий по функциональной полноте ряд ЭСЛ ИМС представлен сериями 100, КЮО, 500, К500 (быстродействующие). Он включает всего 50 типов ИМС. Наиболее быстродействующие ЭСЛ ИМС

100 нс. Потребление биполярных ИМС составляет 3—30 мА на эле­ мент. КМОП ИМС, по сравнению с биполярными, имеют исклю­ чительно низкое потребление порядка 5 мкА на элемент. Микро­ процессорные комплекты (МПК) БИС реализуют различные функ­ ции и используются для построения устройств программируемой обработки информации — МП, микроконтроллеров (М К), микроЭВМ. Промышленность выпускает МПК по биполярной и МОП-

технологиям. В МПК К580, К581, К1801, КТ810 использована п- МОП-технология; К1800— ЭСЛ; К585, К589, К11802, К Р1804ТТЛШ; К582, К583, К584— И2Л; К587, К588— КМОП’.

МП — это функционально-законченное универсальное устрой­ ство переработки информации, выполненное на одной или несколь­ ких БИС. Наиболее известны БИС МП КР580ИК80А, К1801ВМ1,

К1810ВМ86, КР581ВЕ1, МП состоит из операционного устройства и устройства управления. Операционное устройство включает