книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

Гибкие УРЗ открывают новые возможности в отношении уровней адаптации РЗ и способов организации и настройки структур РЗ при эксплуатации. В качестве примера рассмотрим возможные варианты адаптации структур гибких устройств РЗ к конфигурации распредели­ тельных сетей. Если конфигурация сетей при эксплуатации и аварийных переключениях изменяется редко (например, единицы раз за несколько десятков—сотен часов работы), целесообразно использование простей­ шего варианта, при котором одновременно с изменением конфигура­ ции автоматически формируется более рациональная структура системы РЗ процедурным или процедурно-аппаратным путем. Информация о конфигурации сети выдается устройству РЗ в простейшем случае при помощи вспомогательных контактов АВ. Решения о том, какие струк­ туры устройств РЗ целесообразно сформировать для той или иной кон­ фигурации сети, возникающей при оперативных переключениях силовых коммутационных аппаратов, и о соответствующей настройке их РБ принимаются разработчиком на стадии проектирования и закладыва­ ются в базу данных БУ. В зависимости от сложности защищаемой сети БУ, построенный на базе средств ВТ, может реализовать те или иные структуры РЗ. Важной особенностью такой РЗ является возможность как разделения функций организации структуры РЗ и выявления пов­ реждений соответственно между ЭВМ и традиционным для РЗ набором аналоговых или в перспективе цифровых функциональных узлов при процедурно-аппаратной реализации архитектуры, так и объединения этих функций в ЭВМ или ММС при процедурной реализации архитекту­ ры. В первом случае функции ЭВМ сводятся к анализу соответствия структуры защиты конфигурации защищаемой сети, который проводит­ ся в нормальных режимах работы электрооборудования, что не предъ­ являет жестких, трудно выполнимых требований к ее быстродей­ ствию.

В сетях с более динамичной реконфигурацией (особенно это относит­ ся к распределительным сетям объединенных ЭЭС и к автономным ЭЭС) перспективны гибкие РЗ с элементами самоорганизации, которые явля­ ются дальнейшим развитием рассмотренного выше принципа формиро­ вания структур защиты с процедурно-аппаратной реализацией архитек­ туры. С целью экономии аппаратных средств (и их типов) в данном слу­ чае осуществляют перекоммутацию не готовых, заранее сформирован­ ных структур РЗ, а узлов из набора, представляющего собой совокуп­ ность функционально законченных, не связанных между собой в исход­ ном состоянии устройств, традиционно используемых в РЗ (сумматоров компараторов, реле, элементов выдержки времени, выходных органов и т.д.), из которых одновременно с коммутационными переключениями в сети автоматически формируются необходимые структуры РЗ путем организации соответствующих связей между узлами. Возможно дальней­ шее развитие последнего варианта универсальной гибкой РЗ, позволя­ ющее рационально использовать минимальный набор функциональных

31

узлов благодаря их периодической перекоммутации с циклическим пе­ ребором (или перебором с приоритетом по определенному закону) структур РЗ из заданного ансамбля. В качестве примера в гл. 5 более подробно рассмотрены некоторые варианты указанных РЗ.

2.2. ОСОБЕННОСТИ ГИБКИХ СИСТЕМ РЗ

Свойство гибкости, один из важнейших отличительных признаков РЗ нового поколения [6,8], позволяет заметно расширять их функцио­ нальные возможности, выполнять их универсальными (т.е. инвариант­ ными к числу видов выявляемых повреждений и сложности 03) без пропорционального наращивания аппаратных средств и неоправданного расширения номенклатуры проектируемых устройств РЗ. Это свойство открывает перспективу перехода техники РЗ от экстенсивного к интен­ сивному пути развития. Необходимо отметить, что свойство гибкости является определяющим на данном этапе развития и для многих других технических систем [47]. Гибкость структуры РЗ позволяет рациональ­ но сочетать очень важные для нее основные свойства —надежность, жи­

ется обобщающим свойством, характеризующим устройства.РЗ. Суще­ ственными составляющими этого свойства РЗ являются их техническое совершенство и надежность. Свойства живучести и качества функцио­ нирования в обеспечении безаварийности 03 рассмотрены подробно ни­ же. При этом учитывалось, что РЗ, являясь системой аварийного управ­ ления, осуществляет воздействие на 03 с целью минимизации степени опасности его критического состояния после изменения внешних усло­ вий (режимов и топологии ЭЭС).

К настоящему времени описан и создан ряд элементов, устройств, систем управления, в том числе вычислительных, которые называют гиб­ кими, универсальными, перестраиваемыми, самонастраивающимися и т.д. [48]. Понятие ’’гибкость” трактуется по-разному: в одних случаях под гибкостью понимают число различных режимов функционирования аппаратуры, в других термин ’’гибкость” —синоним многофункциональ­ ности. Под гибкостью понимается также возможность использования ап­ паратуры для достижения различных целей [49]. Во всех приведенных определениях гибкости отмечена лишь одна ее сторона —возможность получения множества режимов, функций, достижения множества целей и не раскрыто главное —каким путем достигается гибкость. Перестрой­ ка структуры системы, ее элементов и функциональных устройств (ФУ) —основная особенность гибкой системы, которая позволяет до­ стигать различные цели. Таким образом, гибкость — это способность системы путем перестройки структуры решать с заданным качеством поставленные задачи [123]. И до появления гибких систем были из­ вестны универсальные и многофункциональные системы, но в таких сис-

32

темах многофункциональность обеспечивалась избыточностью аппарат­ ных средств при жесткой системе связей. Перестройка структуры свя­ зей осуществлялась в большинстве случаев вручную и не была опреде­ ляющим фактором для количественной и качественной оценки парамет­ ров системы.

Поскольку любая техническая система, в том числе и система РЗ, характеризуется совокупностью элементов и связей между ними, то пе­ рестройка системы заключается в изменении состава элементов ПО или КТС, их параметров, логических и физических связей между ними. Перестройка системы может приводить к изменению функциональных параметров системы; изменению алгоритмов функций без изменения самих функций; изменению функций системы. Соответственно следует различать виды гибкости: параметрическую, алгоритмическую и функ­ циональную. Абсолютно гибкие РЗ обладают всеми видами гибкости, относительно гибкие - хотя бы одним из первых двух. Свойство гибко­ сти позволяет при синтезе и технической реализации систем и устройств РЗ использовать принципы параметрической и структурной адаптации, что является одним из перспективных путей, например для электричес­ ких распределительных сетей, где обычно наблюдается достаточно частое изменение их конфигурации. Это приводит к существенному изменению режимов сети, а в некоторых случаях вызывает необходимость измене­ ния параметров, алгоритмов и функций устройств РЗ. Следует подчерк­ нуть, что гибкие системы РЗ могут и не обладать таким качеством, как адаптация, однако адаптивные системы РЗ не могут быть реализованы при отсутствии у системы свойств гибкости. Защиты, обладающие функ­ циональной гибкостью (многофункциональные) , являются разновид­ ностью универсальных РЗ. В общем случае понятие универсальности мо­ жет включать три вышеуказанных вида гибкости структуры РЗ.

Существующие устройства РЗ обладают различными видами гибкости. Изменение уставок, характеристик срабатывания защит (ручное или ав­ томатическое) является проявлением параметрической гибкости. Одно­ системная дистанционная защита с пусковыми органами —пример защи­ ты с алгоритмической гибкостью. Анализ показывает, что современным устройствам РЗ присуща параметрическая и в меньшей мере —алгорит­ мическая гибкость, но практически отсутствует функциональная гиб­ кость. Реализуются эти свойства в большинстве ручным способом. Мик­ ропроцессорные средства открывают новые возможности для создания РЗ, обладающих всеми видами гибкости и особенно функциональной гибкостью. Цели, достигаемые за счет гибкости системы РЗ, следующие: расширение диапазонов контролируемых параметров объекта, если су­ ществующие средства контроля и измерения не могут их перекрыть; повышение селективности, быстродействия и чувствительности за счет изменения параметров защит (уставок, характеристик) в зависимости от режимов и состояния 03 или внешней среды (ЭЭС), а также исполь­ зование принципов прогнозирующего распознавания аварийных ситуа-

33

Рис. 2.3. Структура гибкой РЗ:

средств за счет использования свойств функциональной избыточности. В результате свойство гибкости позволяет повысить качество (эффек­ тивность) функционирования РЗ в обеспечении безаварийности 03.

В общем случае гибкая РЗ представляет собой устройство, преобра­ зующее вектор входной информации об объекте защиты X и вектор

Входные управляющие воздействия формируются и вводятся в гиб­ кую РЗ оперативным дежурным персоналом или АСУТП объекта (бло­ ка, станции и т.д.). Для выполнения перестройки в гибкой РЗ необхо­ димы технические средства, на рис. 23,6 выделенные в виде блока БУ, управляющего перестройкой, который формирует управляющий сигнал Y, непосредственно производящий перестройку аппаратных и програм­ мных средств РЗ. Эта перестройка может зависеть не только от Хупр, но и от X и U, т.е.

Y = F2(Хунр, X, U ).

Основной процедурой при организации систем РЗ является их клас­ сификация по ряду признаков, влияющих на выбор средств и методов реализации системы. Классификацию гибких систем РЗ целесообразно провести по следующим признакам: вид гибкости; тип средств РЗ, реализующих гибкость; способ управления перестройкой структур РЗ; способ самой перестройки и способ выполнения самого перестраива­ ющего элемента РЗ. Классификация показана на рис. 2.4. О видах гиб­ кости было сказано выше, а что касается средств системы, то нужно различать РЗ с гибкостью аппаратных или программных средств. Сле­ дует отметить, что наибольшей потенциальной гибкостью при мини­ мальных аппаратных затратах обладают программные средства. Однако, как отмечалось в § 1.3, реализация аппаратной гибкости традиционна

34

Рис. 2.4. Классификация гибких РЗ

для систем РЗ, так как она, будучи относительно простой, обеспечивает высокое быстродействие РЗ. В создаваемом поколении универсальных гибких РЗ наряду с более широко используемой процедурной гибкостью в необходимых случаях также целесообразно применять комбинирован­ ную (процедурно-аппаратную) гибкость, сочетающую в себе достоин­ ства процедурного и аппаратного способов организации РЗ. Поэтому в общем случае реальные цифровые и гибридные РЗ могут иметь гибкие программные и аппаратные средства.

Важным признаком гибкой РЗ является степень участия дежурного персонала в управлении перестройкой РЗ. Здесь следует выделить преж­ де всего ручное управление перестройкой РЗ, когда дежурный должен дать команду о перестройке. Если такая команда формируется автома­ тически в самой гибкой РЗ или других элементах АСУТП защищаемого объекта без участия дежурного персонала на основе информации о сос­ тоянии 03 или других объектов ЭЭС, то имеет место автоматическое уп­ равление перестройкой структуры РЗ. Возможна и комбинация ручно­ го и автоматического управления - автоматизированное управление перестройкой.

Если в системе гибкой РЗ отсутствует специальный элемент БУ, выполняющий автоматическую перестройку РЗ, то перестройка произ­ водится дежурным персоналом вручную (ручная перестройка): перевод действия реле на сигнал, различные блокировки и т.д. В гибкой РЗ с автоматической перестройкой имеется БУ; его реализация может быть

35

программной, аппаратной или комбинированной. Тот или иной способ реализации определяется техническими требованиями к гибкой РЗ: программный БУ не требует специальных аппаратных средств, кроме памяти, обеспечивает большую гибкость РЗ, но может не удовлетворять требованиям быстродействия. Аппаратно реализованный БУ, являясь жестким устройством, в определенной мере ограничивает гибкость РЗ. Поэтому для повышения гибкости Б У может быть также рекомендована комбинированная реализация БУ, например, в виде МП-усгройства уп­ равления в сочетании с перестраиваемой универсальной коммутирующей структурой (УКС). Аналоговая гибкая РЗ с автоматической перестрой­ кой имеет аппаратный БУ; гибридная гибкая РЗ может иметь любую реализацию БУ.

До последнего времени техническое совершенство устройств и систем РЗ оценивалось следующими основными их свойствами: селектив­ ностью, быстродействием, чувствительностью и надежностью. Дальней­ шее совершенствование техники РЗ потребовало учета свойств более низкого уровня: защитоспособности, устойчивости функционирования [1]. Однако такие основные свойства РЗ, как гибкость, живучесть и ин­ тегральное свойство качества функционирования в обеспечении без­ аварийности 03, которые были присущи всем поколениям РЗ, не нашли ранее в литературе должного освещения. В новом поколении универсаль­ ных гибких РЗ благодаря широкому использованию в их структурах программируемых элементов получает существенное развитие свойство гибкости. Это заставляет рассмотреть влияние свойства гибкости РЗ на свойства живучести и качества (эффективности) функционирова­ ния в обеспечении безаварийности 03 при соблюдении заданных требова­ ний надежности. Указанные свойства в различной мере проявляются у систем, выполняющих функции основных и резервных защит. Известно [1], что основной обычно является полносвязная, т.е. обладающая аб­ солютной селективностью, РЗ, предназначенная для функционирования при всех заданных видах повреждений в пределах всего защищаемого участка (зоны) с заданными параметрами по быстродействию, чувстви­ тельности, селективности и другими, обеспечивающими безаварийность функционирования защищаемого участка в аварийных ситуациях, что определяется интегральным свойством качества функционирования ос­ новной РЗ. Резервной является РЗ, предназначенная для работы вместо основной защиты данного участка в случае ее отказа или вывода из ра­ боты (ближнее резервирование), а также при КЗ на смежных участ­ ках и отказах (внезапных повреждениях) их защит или автоматических выключателей (дальнее резервирование). Поэтому свойство живучести системы РЗ в целом для 03 ЭЭС обеспечивается за счет дальнего резер­ вирования РЗ смежных и других участков. Следует особо отметить, что из всех видов систем управления практически только системы РЗ обладают уникальными функциональными возможностями дальнего резервирования при условии получения необходимой информации толь-

36

Рис. 2.5. Основные свойства гибких систем РЗ

ко на защищаемом участке. Свойство живучести системы РЗ обеспе­ чивается резервными защитами, локально расположенными на различ­ ных участках 03, благодаря внутренней функциональной связи через 03 отдельных устройств РЗ. Указанная связь не требует организации каких-либо специальных каналов связи для непосредственного обмена информацией между устройствами РЗ смежных участков.

На рис. 2.5 приведена структурная схема основных свойств систем гибких РЗ, позволяющая проанализировать влияние свойства гибкости на конечные цели защит, которыми являются: для основных РЗ (ОРЗ) — обеспечение безаварийности функционирования защищаемого участка

вания всех участков 03 путем локализации аварий, т.е. предотвращения их каскадного развития. Конечной целью функционирования РЗ всех поколений является обеспечение безаварийности 03, т.е. способность системы РЗ своевременно предотвращать развитие на объекте аварийных ситуаций, недопустимых для оборудования отключением (с необходи­ мыми параметрами по быстродействию и др.) поврежденного участка. Наряду с этим безаварийное функционирование РЗ обеспечивает в необ­ ходимых случаях такое свойство 03, как безопасность, т.е. предотвра­ щение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды [1 ].

37

Следует различать следующие основные режимы, в которых может находиться 03: регламентные, аварийные, закритические (аварии). Если при своевременной ликвидации аварийной ситуации и повторном включении 03 может продолжать функционировать, то при попадании в закритический режим 03 частично или полностью разрушается. Для оценки качества функционирования системы РЗ необходимо выявить предельные аварийные режимы, грозящие переходом 03 в закритическое состояние. Эти режимы определяются прежде всего конкретными условиями эксплуатации. Например, РЗ при отключении точки КЗ на системообразующих линиях электропередач должна обеспечить сохране­ ние динамической устойчивости ЭЭС, для электрооборудования закры­ тых распределительных устройств —соблюдение требований его электро­ динамической и термической стойкости. Гибкие системы РЗ по сообра­ жениям, изложенным выше, позволяют повышать качественные пока­ затели основных свойств защит - селективности, быстродействия, чув­ ствительности, надежности, живучести. В результате свойство гибкости позволяет повысить качество (эффективность) функционирования РЗ, что приводит к повышению уровня безаварийности 03. Качество функ­ ционирования гибких РРЗ можно повысить путем придания им свойств параметрической, алгоритмической и функциональной гибкости. В пре­ деле можно ожидать повышения качества функционирования РРЗ до уровня, соизмеримого с качеством функционирования ОРЗ. В итоге будут существенно повышены функциональная надежность и эффектив­ ность системы защиты в целом.

2.3. СВОЙСТВО ЖИВУЧЕСТИ ГИБКИХ РЗ

Рассмотрим основные различия родственных свойств: надежности и живучести систем РЗ. Надежность обычно трактуется как сложное свой­ ство системы, включающее показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Действующий ГОСТ 27.002—83 детально регламентирует сущность указанных понятий. В литературе ос­ вещены методы анализа и обеспечения необходимого уровня показате­ лей, характеризующих эти свойства [50]. Важнейшей составляющей надежности систем является свойство безотказности, характеризующее способность системы непрерывно сохранять работоспособность в задан­ ных регламентных условиях и на заданном по времени интервале эксплу­ атации. Для систем, модель работоспособности которых определяется только двумя состояниями: работоспособным и неработоспособным, показатели вида вероятности безотказной работы являются исчерпы­ вающими характеристиками их безотказности. Вопросы надежности ЭЭС и их систем РЗ, которые являются многофункциональными систе­ мами сложной структуры, также рассмотрены достаточно подробно [1.51]. При этом надежность РЗ определяется как вероятностная оценка

38

способности РЗ выполнять заданные функции работоспособности с за­ данным качеством функционирования (по селективности, чувствитель­ ности, быстродействию и др.) при регламентных условиях ее эксплуата­ ции в течение заданного интервала времени. Показатели и способы, при­ нятые для оценки и повышения надежности устройств защит предыду­ щих поколений, целесообразно использовать и для систем гибких РЗ. Основное отличие заключается в том, что необходимый уровень функ­ циональной надежности систем РЗ с жесткой архитектурой обычно обес­ печивается избыточным наращиванием аппаратных средств, что сопро­ вождается определенным ухудшением их аппаратной надежности. Гиб­ кие системы РЗ без наращивания аппаратных средств, а в некоторых слу­ чаях и при их сокращении позволяют обеспечить заданный уровень ра­ ботоспособности за счет функциональной избыточности при сохранении или повышении аппаратной надежности системы. Необходимо отме­ тить, что свойство гибкости позволяет реализовать ОРЗ и РРЗ на осно­ ве общих технических средств, что, например, используется в панелях дистанционных защит.

Системы РЗ всех поколений создавались таким образом, чтобы обес­ печивались не только необходимые показатели их надежности, но и не менее важные для систем РЗ показатели их живучести, не рассмотренные

влитературе в достаточном объеме. Анализируя приведенные в [1, 13, 51, 52] сведения о живучести систем электроэнергетики, управляющих и вычислительных систем, а также сведения о характере тяжелых систем­ ных аварий в ЭЭС, носящих каскадный характер, можно обобщенно сформулировать понятие свойства живучести технического объекта, которое заключается в его способности выполнять заданные функции

впроцессе внешних неблагоприятных воздействий (НВ) на весь объект или отдельные его элементы, поддерживая в допустимых пределах свои эксплуатационные показатели. Следовательно, под свойством живуче­ сти системы РЗ следует понимать способность системы сохранять свои основные функции (хотя бы с допустимой потерей качества) при внеш­ них НВ, выходящих за рамки регламентных условий. При этом надеж­ ность как свойство системы РЗ проявляется при регламентном уровне внутренних возмущающих воздействий, а живучесть - при внешних воздействиях, существенно превышающих регламентные условия. Для РЗ граница между внутренними регламентными и внешними нерегла­

ментными воздействиями может быть установлена следующим образом. К первым относятся режимы, при которых возникает аварийная ситуа­ ция (обычно КЗ) в электрооборудовании защищаемого участка, причем устройства РЗ указанного участка сохраняют работоспособное!ь, а усло­ вия их функционирования соответствуют регламентным. Ко вторым от­ носятся все нерегламентные режимы функционирования ЭЭС, связанные с внезапным внешним НВ (землетрясения, пожары и т.д.), выводящие из строя как электрооборудование участка, так и устройства РЗ, уста­ новленные на нем.

39

Живучесть систем РЗ обеспечивается в ЭЭС путем рационального сочетания функций ОРЗ и РРЗ. Наивысший уровень живучести (абсолют­ ная живучесть) системы РЗ возникает, если устройства РЗ, установлен­ ные на каждом участке, могут резервировать защиты любого другого участка 03. Свойство живучести полностью отсутствует у системы РЗ, в которой устройства резервной защиты каждого участка не могут резер­ вировать защиты любых других участков. В результате живучесть систе­ мы РЗ в целом обеспечивается за счет ценного качества резервных за­ щит —возможности обеспечения безопасности функционирования смеж­ ных участков (в пределе - всех участков защищаемого объекта ЭЭС), хотя и с худшим качеством (в первую очередь по быстродействию), чем основные защиты указанных участков.

Необходимо подчеркнуть, что наличие на защищаемом участке основ­ ной и резервной защит (что является общепринятым для техники РЗ, особенно в отношении таких сосредоточенных элементов ЭЭС, как гене­ раторы, силовые трансформаторы, крупные электродвигатели и др.) также повышает живучесть системы РЗ указанного участка или элемента, так как при отказе (или выводе из строя внешним воздействием) основной защиты ее функции с худшим качеством выполняет резервная защита. Надежность функционирования основной защиты может быть повышена, если ее дублировать равноценными по качеству функциони­ рования устройствами РЗ (например, по принципу мажорирования). Однако по причинам технико-экономического характера указанные ре­ шения в практике РЗ современных ЭЭС используются ограниченно. Поэтому РРЗ, как правило, обеспечивают свойство живучести системы РЗ в целом в отношении как защит, установленных на смежных и сосед­ них с ними участках, так и основной РЗ защищаемого участка.

Из этого следует, что свойства надежности и живучести не адекватны и имеют заметные отличия. Об этом свидетельствуют также данные, приведенные в [52], где отмечается, что, хотя свойства надежности и жи­ вучести систем родственны, так как они определяют их работоспособ­ ность в определенных реальных, но различных условиях эксплуатации, методы анализа и обеспечения заданных уровней показателей этих свойств существенно различны. При этом следует подчеркнуть, что при помощи методов анализа живучести можно получить оценки топологи­ ческих структур систем и определить рациональное пространственное размещение элементов систем, что имеет существенную практическую ценность для техники РЗ.

Рассмотрим вопросы оценки живучести системы РЗ как способности выявлять повреждение на любом участке ЭЭС в условиях НВ. При рас­ чете живучести РЗ воспользуемся табличным логико-вероятностным ме­ тодом [53] исходя из предположения о равновероятном законе распре­ деления многократных независимых НВ по участкам ЭЭС. Примем, что каждое НВ повреждает только один участок ЭЭС, т.е. автоматичес­ кий выключатель (АВ), часть присоединения, прилегающего к нему, а

40