автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ и разработка комплекса релейной защиты и автоматики сетей 6÷35 кВ выполненного на микропроцессорной элементной базе

Мб о*

, б №

На принах рукописи

Тяпь Чжуи Лу

АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИ !Ъ[ И АВТОМАТИКИ СЕТЕЙ 6, 35 кВ ВЫНОЛ11ЕН1Ю1 О НА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ

Специальность 05.14.02 "Электрические станции (»центрическая часть),ссли,»лекфотерссшчсскис сиаемм и упраилспие ими"

А и т о р с I]) с р а г диссертации па соискание ученой степени кандидата технических паук

Работа выполнена па кафедре "Релейная чащити и автоматизации »лсктросистем" Московского »перш пческото института (Технического Уиичсрснаста).

Научный руководитель кандидат технических паук.

"доцент Ьарябапо» IO. А. Официальные ошюисшы доктор технических наук,

профессор Гсльфанд Я. С'.

кандидат конических наук, Кимсльмаи Л. fi.

Ведущая организации 1'НИПКИИ Лтмшсргопроект

Jamura состоится "22" " f-ÍQ.корн " 1996 г. н аудитории Г-201 и 15 чае Q0 мин. на заседании диссертационного Concia К 053.16.17 Московского жсртептчсскот инстшу 1а(Тсхннчсско! о Университет).

Опыны на автореферат н двух жземшшрах. заверенные печатью opi ашпации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ(1 У).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке М'ЭИ. Лв торефера i разослан октября " 1996i'.

Учении секретарь диссерт анион пою Совета К 053.16.17 к.т.н.,доцси т

Хачатурова Е. А.

Общая характеристика работ

Лк1 уальпрс(ь.1смь1. В связи с интенсивным ра зни мом разработок И 1СХНОЛОПИ1 ИИОТОВЛСНИЯ ВЫЧИСЛИГСЛЬНОЙ 1СХНИКН в конце КО--х,

начале 90-х тдов появились условии практической реализации устройств релейной защиты и автоматики (РЗ и Л) на микропроцессорной »лемешной базе, доведенных до серийного тготн.тсния.

В настоящее время рядом организаций п России и за рубежом ведутся И1МСИСШШМС работы по исследованию и реализации таких устройств. Предыдущими исслслонапиями обоснованы возможное! ь при гаком подходе повышения техническою совершенства и 'жеплуа таци-онных характеристик микропроцессорных устройств 1*3 и Л, доказана целесообразность использования для указанных целей мультипроцессорных вычислительных систем. Вместе с тем, недостаточно исследованы вопросы выполнения комплексов РЧ и А много элементных тлек-тро »пергстических объектов, включающих ряд РЧ и А в единых дин управляемого объекта микропроцессорных структурах. Представленная рабой» решает ряд задач в пом направлении, что под тверждает ее актуальность.

Целью работы является анализ целесообразности обьсдинсния функций РЧ и Л ммогозлсмситного злектро шсргстичсского обьскта преимущественно напряжением 35 кВ с уточнением ысмснтов методики проектирования комплекса РЧ и А, реализованного на мультипроцессорной вычислительной системе (ВС) применительно к рассматриваемому классу »лскфочцсргстчсских обьскюв.

Для достижения этой цели были решены елсдукм^шелада'»»'.

I. проведена алгоригми(ация комплекса РЧ и А. ориентированная на программную» реализацию.

2. разработаны типовые струк|уры МВС, удовлетворяющие фе-бованням по быстродействию и надежности функционирования РЗ и Л;

3. практически реализовано и испытано программное обеспечение комплекса РЗ и Л.

Методы и средства проведения исследований. Использованы методы аналитического представления алгоритмов функционирования устройств РЗ и А, методы структурного программирования, методы 1сории надежности, эвристические методы теории расписаний. Экспериментальные исследования программною обеспечения, реализующего функции РЗ и А, проведены па ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем: применительно к рассмазриваемому типу электроэнергетических объектов обоснованы целесообразность и эффективность объединения функций ряда РЗ и А в единой мультипроцессорной вычислительной системе, установлен объем функции, подлежащих объединению;

разработан комплекс алгоритмов микропроцессорных устройств РЗ и А в их взаимосвязи для типового многоэлементного электроэнергетическою;

разработаны и обоснованы струкзуры мультипроцессорных вычисли 1сльных систем, обеспечивающие необходимое техническое совершенство и надежность функционирования комплекса РЗ и А.

Практическая ценность работы. Разработанный комплекс ал горн I мои РЗ и А шпоною электроэнергетического объекза, программное обеспечение, реализующее РЗ и А многоэлсментного объекта, могу г быть непосредственно использованы при выполнении микропроцессорных защит в проектных организациях соответствующего профиля. Результаты в част выбора мультипроцессорных вычислительных систем, обеспечивающих необходимые быстродействие и надеж-

посгь функционировании РЗ и Л, могут быть использованы » научно-исследовательских и проектных организациях, занимающихся разработкой микропроцессорных защити автоматики.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры Релейной зашиты и аптомачиза-ции энергосистем МЭИ.

Обьем pafio.UîL Диссертация сосгои i из инедспия, четырех глав и заключения, включает 201 страниц машинописного текста, 22 таблиц, 36 рисунков, списка литературы из 82 наименований и 3 приложения.

Краткое содержание рабо ты

Во введении даны общие положения использования вычисли-юльиой техники при выполнении функции релейной защты и анго-матики. Обоснована актуальность исследования и данном направлении. Сформулированы основные задачи и реальность их решения при помощи современной технологии вычислительной техники.

В первой главе дана общая характеристика микропроцессорных устройств PÏ и А, отмечены преимущества микропроцессорной реалн • зацин комплексов РЗ и А, в число которых входят: просто та наладки и эксплуатации; высокая надежность; большой по тенциал наращивания дополнительных, в том числе сервисных функций; адаптивность алгоритмов и т.д. Более подробно раскрьпа аппаратная часть, касающаяся программной мультипроцессорной защиты. Приведены варианты 'элементов аппаратной части. В том числе рассмотрен!,к система сбора данных, включающая цепь формирования напряжения, аналоговый фильтр, цепь выборки и хранения, коммутатор, аналого-цифровой преобразовагсль(АШ); цифровая система ввода-

вывода,включающая цепь цифровою ввода. цепь цифрового нывода; цифровые фильтры. Приведены анали шческие соотношения, являющиеся основой для выполнения программных измерительных органов.

Для получения ортогональных чиамсний контролируемых величин на промышленной частоте использованы алгоритм полупериодпого по модулю интегриропании и алгоритм Фурье. Для алгоршма полупериод-пот нитрирования требуемый размер временного окна сбора данных выборан 10 мс. Алгори тм в определенной степени обладает свойством фнльфации высокочастотных составляющих, но не способен к ограничению шпдснстмим поименных составляющих помехи. Для чащи г с высоким фебонанием по быстродействию, такой алгоритм является примени-1сльпым. Алгоритм Фурье основан па известном преобразовании Фурье, который обладает способностью филы рации гармоник. При пом достигался более высокое качество фильтрации, чем и алгоритме полупериод* ною нитрирования, однако требуется больший размер временного окна сбора данных - 20 мс.

Вюрая глава посвящена разрабо ткс и реализации ajn оритмов РЗ

и А.

Основными задачами данной главы являются исследование, разработка и реализация программных алгоритмов РЗ и А, реализуемых па микропроцессорных системах определенного типа. Для решения ■»тих задач целесообразно выделить два пана: • анализ защищаемых объектов, выбор оптимальных типов РЗ и А, нх алгоритмизация и представление в виде, удобном для последующей реализации на мультипроцессорной вычислительной системе;

• реализация алгоритмов РЗ и Л, включающая разработку и отладку программного обеспечения и объеме разработанного на первом vvanc комплекса алгоритмов.

Приведены следующие общие положения, используемые при последующей разработке алгоритмов отдельных устройств РЗ и А:

в алгоритмы РЗ и А введены пусковые органы(ПО). Назначением ПО является своевременное обнаружение возникновения КЗ или ненормального режима(например для АВР) и запуск (при необходимости) измерительной части соответствующей защиты и автоматики. По существу ПО является фрагментом алгоритма, который периодически выполняется с заданным тагом дискретизации А1Д (н работе в качестве примера припя ю А 1л ~ 1 ,(>7мс.). Пусковые подпрсираммы должны быть завершены на каждом mai с дискретизации, но их объем довольно мал, что не требует значительных ресурсов ВС. Такое решение позволяет существенно сокращать требование к ресурсам ВС;

измерительные органы построены на основе использования ортогональных составляющих электрических величин, получаемых по известным алгоритмам Фурье или полуиериодиого интегрирования;

предусмотрено одновременное использование промежуточных результатов в ряде алгоритмов, которые с учетом реализации алгоритмов в единой мультипроцессорной ВС являются общедоступными. Например, ортогональные составляющие электрических величин используются одновременно в ряде алгорит мов измерительных органов комплекса РЗ и А.

Алгоритмы разрабат ываются применительно к сети Ь- 35 кВ, включающей типовые элементы: трансформаторы, синхронные и

асинхронные двигатели, кабельные линии. Характерный фрагмеш сети приведен на рис. I. Разработанная методика проектирования комплекса РЧ и А и обобщенные резуль таты применимы для любых обьскшв такого рода, на сети но рис.1 дсмоорируется тлько конкретное применение методики.

СИСТЕМА! СИСТПМЛ2

рис.1. Фрагмен т схемы управляемого объекта

В составе комплекса предусмофено использование следующих видов чащи i и автоматики:

дифференциальная защита,токовая отсечка, МТЗ с зависимой и независимой выдержкой времени, используемые на ряде защищаемых элементов; защиты шектродвшателейОД) от перегрузки, от несимметричных режимов и витковых замыканий, от замыкания на корпус; защиты синхронного двигателя (СД) от асинхронного режима и от потери возбуждения; АПВ трансформатора и двигателей; АВР секционного выключателя.

В основном рассматриваются традиционные т ипы РЗ и А, которые алгоритмизируются для последующей программной реализации. Однако, как следует из дальнейшего, конкретные алгоритмы при программной реализации заметно отличаются от традиционного исполнения. В частности, при разработке алгоритмов учтен ряд особенностей их программной реализации по сравнению с аналоговым исполнением. важнейшие из которых следующие:

• отмеченное выше наличие пусковых органов п защитах, традиционно их не имеющих;

• необходимость трехкратного исполнения алгоритмов при пофаз-ной(для трех фаз) обработке информации. При этом возникает альтернатива либо последовательного во времени трехкратного исполнении алгоритмов на одном процессоре, либо подключения дополнительных ресурсов ВС, например, параллельного исполнения алгоритмов для грех фаз на трех процессорах ВС, что требует представления алг оритмов в форме, не ограничивающей возможности последующей реализации;

• возможность и целесообразность учета или даже и объединения в едином алгоритме функций ряда устройств РЧ и А, функционирующих во взаимодействии с целью как по возможности повышения технического совершенства РЗ и А, так и экономии вычислительного ресурса;

• широкие возможности вычислительной техники в плане предоставления сервисных услуг при наладке и -эксплуатации устройства, в связи с чем соответствующие сервисные функции должны быть включены в необходимые блоки алгоритмов.

Проведена подробная разработка указанной серии алгори тмов РЗ и А, завершенная программированием и испытанием программного обеспечения. Алг оритмы пусковых органов используют выборки мгновенных значений электрических величин, что позволяет минимизировать задержку в пуске измерительной части в соответствующих ситуациях на объекте, при этом допустимы ложные пуски. Алгоритмы измерительной части используют ортогональные составляющие -.электрических величин, полученные по изложенным выше алгоритмам, что обеспечивает устойчивость функционирования защиты в целом при приемлемой задержке в срабатывании.

Как отмечено, использованы традиционные принципы защит. Применительно к защитам двигателей от перегрузки предложен и реализован адаптивный алгоритм, суть которого заключена в контроле изменения перефузки в процессе набора выдержки времени с последующей се коррекцией. Алгоритмы защиты и автоматики функционируют в необходимых случаях во взаимодействии, предусматривающем в том числе возможность блокирования АПВ или АВР при некоторых срабатываниях защит, изменение уставок защит, переключение точек сбора информации(псревод на выборки, поступающие от других АЦП) при срабатывании АПН или АВР и т.д.

Из включенных п алгоритмы сервисных функций отмстим наличие алгоритмов контроля отключения силовых выключателей после срабатывания РЗ, алгоритмов, поддерживающих сохранение выборок контролируемых величин на пятипериолиом ишервале до и после действия устройств РЗ и А, алгоритмов оформления РЗ и А персоналу.

Для осуществления РЗ и А в виде автоматизированной системы управления созданы базы данных, в которых хранятся динамические, обновляемые при функционировании РЗ и А данные, а также постоянные данные. Для разработки таких баз с учетом разнотипности поступающей информации от разных точек контроля на защищаемом объекте наиболее приемлемы структуры, включающие практически произвольные компоненты.

Для тестирования полученного программного обеспечения разработана моделирующая программа, которая имитирует различные ситуации на защищаемом объекте и выдаст выборки мгновенных значений токов и напряжений, необходимых для функционирования комплекса РЗ и А, а также ряд дополнительных данных, таких как состояние выключателей, подключение или отключение точек контроля, положение ключей управления и т.д. Результат действия программ РЗ и А анализируется по выдаваемым ей протоколам.

В третьей главе рассматривается вопрос о выборе структуры ВС по условию обеспечения быстродействия РЗ и А, т.е. определяется минимальная структура ВС, необходимая и достаточная для выполнения алгоритмов в реальном масштабе времени, а также распределяются алгоритмы между МП системы. Эта структура далее (гл.4) уточняется, исходя из требований обеспечения надежности функционирования РЗ и А.

В разработанном комплексе РЗ и А представлены защита и автоматика различного типа, в число которых входят и быстродействующие защнты(диффсрепциальные защиты, отсечка) и относительно пе-бысфодействующие устройства защиты и автоматики(АГ1В, АВР). Особенностью реализации алгоритмов в мультипроцессорной ВС является распределение не только алгоритмов отдельных усфойств между МП системы, по и возможное распределение отдельных частей алгоритма одного устройства между несколькими МП.

С учетом особенности функционирования разработанное программное обеспечение может быть разделено на две группы: первая периодически выполняемые алгоритмы; вторая тпизодичсски выполняемые алгоритмы.

Первая группа алгоритмов выполняется непрерывно па всем протяжении функционировали» РЗ вне зависимости от состояния защищаемого объекта. Они играют роль пусковых органов (ПО) защиты и автоматики. Период пуска и выполнения алгоритмов совпадает с шагом дискретизацни(л/„ ~1/)7мс). Первая группа алгоритмов не может быть совмещена при распределении по МГ1 с тпизодичсски выполняемыми алгоритмами из-за случайности возникновения требования к исполнению последних. Исходя из периода дискретизации и времени выполнения всех входящих в алгоритмы операций, определено, что первая группа должна выполняться двумя микропроцессорами.

Вторая ipynna алгоритмов запускается только в случае возникновения на защищаемом объекте режима, предварительно классифицируемого как аварийный. В зависимости от результатов работы пусковых органов запускаются различные наборы алгоритмов, число которых в некоторых ситуациях тпачктелыю. В связи с ним, исходя из требований по быстродействию к РЗ и А, а следовательно и к ал го-

pin мам, с уче том ответственности выполняемых функций в комплексе, определены приоритеты алгоритмов.

Построен граф задания, утлы которою отражают выполняемые отдельные алгоритмы, а взаимосвязи между узлами разрешенную последовательность их выполнения. Для дальнейшею распределения алгоритмов между микропроцессорами ВС необходимо время выполнения отдельных алгоригмов(узлов 1рафа), которое было замерено с использованием разработанных под алгоритмы про(рамм(см.гл.2).Это позволило построить диаграмму Ганта, определяющую целесообразную последовательность выполнения алгоритмов но времени.

В итоге определено, что вторая ipynna алгоритмов может быть выполнена одним микропроцессором, причем при полученной последовательности пуска алгоритмов требования по быстродействию РЗ и А будут удовлетворены с запасом примерно до 30% при условии, что в ВС реализуются функции РЗ и А половины представленного на рис. I объекта. Указанное определяет целесообразную степень объединения алг оритмов в едином мультимикропроцессорном комплексе.

Таким образом, получена минимальная структура мультипроцессорного комплекса РЗ и А, представленная па рис.2. Она включает для выполнения пусковых программ два МП, на вход которых поступают двоичные коды выборок мгновенных значений контролируемых электрических величин от системы ввода, и третий МП, выполняющий тпизодически запускаемые алгоритмы и выдающий выходные сигналы МСЗА через систему вывода на исполнительные органы. Системы ввода и вывода показаны на рис.2, в упрошенном виде без учета согласующих элементов и интерфейсов.

рис.2. Минимальная вычислительная структура комплекса РЗ и А.

В четвертой главе рассмагриваются вопросы обеспечения надежности функционирования разработанной мультимикропроцессориой системы РЗ и А, проводится расчет количественных показателей надежности и поиск структуры ВС, обеспечивающей необходимые требования по надежности с учетом реальных показателей надежности отдельных элементов ВС.

Оценка надежности РЗ , в том числе и ее микропроцессорной реализации, ведется по традиционным для защит показателям:

по функции срабатывания при КЗ с требованием срабатывания коэффициент неготовности к срабат ыванию Цг,,;

по функции несрабатывания при КЗ с требованием несрабатывания коэффициент неготовности по излишним срабатываниям

по функции несрабатывания в режимах без КЗ параметр потока ложных срабатываний О) Л с*

Вероятность отказов программною обеспечения комплекса РЧ и Л существенно меньше вероятности отказов аппаратной части и далее не рассматривается. Для микропроцессорной техники наряду с традиционными устойчивыми отказами характерны кратковременные сбои, в связи чем необходим их учет.

В качестве исходных данных при расчетах показателей надежности РЗ используются данные по надежности отдельных сс шемсп-гов, а также взаимосвязи элементов, задействованные ( активишро-наннме) при выполнении той или иной функции. В отличие от традиционных исполнений в микропроцессорной защите вне зависимости 01 вида выполняемой функции защиты и соответствующей программы состав операции в силу их стандартности в целом сохраняется. Если рассматривать всю совокупность операции, как правило входящую в отдельные программы РЗ, то при их выполнении в целом задействованы все элементы подсистемы расчета минимальной ВС (рис.2). Поэтому в дальнейшем при расчетах надежности приняты следующие два положения. Первое в качестве исходных элементов рассматриваются подсистема расчета, состоящая из трех микро-ЭВМ, и подсистема ввода данных, более глубокая детализация не проводится, основой для расчетов являются показатели надежности микро-ЭВМ и подсистемы ввода. Второе нет необходимости выделять цепочки элементов, участвующие в выполнении той или иной функции Р1, поскольку по любой функции участвуют в смысле надежности последовательно соединенные подсистема ввода и ВС минимальной сгрукту-ры(рис.2).

Для получения количественных оценок показателей надежности необходимо иметь значения наработки на отказ Т микро-ЭВМ и системы ввода. В качестве примера для дальнейших расчетов приняты следующие значения Т, представленные в таблице. I для двух вариан-

тов: относительно малонадежные (вариант 1) и высоконадежные (вариант2) исходные элементы. Приведенные значения носят чисто иллюстративный характер и используются только для пояснения методики расчета показателей надежности.

таблш щ I (в часах)

элементы тип от каза наработка на наработка на

отказ вариант 1 отказвариант2

МП устойч.отказ 8000 150000

Сбой 3000 75000

Сисгсма-ввода устойч.отказ 7000 150000

Сбой 5000 75000

Как известно, коэффициент неготовности ф» определяется по выражению:

Я'« = —т--+(Чо - -—-) 1ГГ„р(<"<, + ц,,,) (I)

«м> ^ юо+м Ф

где 1"(х)=(1-ех)1г,

цо вероятность неработоспособного состояния после проверки, характеризующая качество проверки;

С0„, /1 ф параметры потоков отказов и требований на функционирование РЗ при КЗ;

Т,1р период между проверками. Из (I) можно получи п, приближенное выражение для расчета наработай на отказ Т в виде: То=-- (2)

2(Ят - Яо)+ЧоТпр// Ф Выражение (2) определяет- минимально допустимую наработку как на отказ срабатывания защиты - Тср,так и на излишние срабатывания - Ти при подстановке требуемых коэффициент НСГО ЮВНОСТИ (|ср И С|н И ПЗ"

раметров потоков требований ц ф на соответствующее функционирование защиты, которые задаются потоком внутренних и внешних КЧ. Сопосгавлснис фебуемых наработок, получаемых по (2) с имеющимися (таблица I) позволяет принять или отбраковать вариант.

С использованием выражений (I) и (2) проведен расчет показателей надежности защиты, выполненной на минимальной вычислительной структуре (рис.2), который показал, что требуемая надежность не может быть обеспечена при использовании не только малонадежных, но и высоконадежных элементов структуры.

Одним из эффективных методов повышения надежности является структурное резервирование. Рассмотрены резервирование по функции срабатывания (объединение основного и резервных элементов по логической цепочке ИЛИ), а также одновременное резервирование по обоим функциям(мажоритарные цепочки) при различной кратности резервирования.

коэффициент неготовности яср, Яи и параметр потока ы л .с при резервировании по цепочкам И и ИЛИ определяются выражениями, структура которых в общем виде записывается как

щ

(3)

1-1

где п кратность резервирования;

параметр потоки отказов i_.ro устройства;

Чш т * I* коэффициент неготовности схемы из (п-1) устройств (в совокупное™ устройств отсутствует 1_е устройство), а при мажоритарном резервировании по схеме т из п:

Ч." =1 <й>. • I "'4™? ) (4)

1.1 |-1

С использованием приведенных выражений проведен расчет показателей надежности различных схем резервирования с различной

кратностью резервирования. В варианте с малонадежными исходными ).,1смсн1ами (таблица I) приемлемая надежность может быть обеспечена по схеме, приведенной на рис.3. Схема отличается повышенной сложностью и, как правило, не может быть рекомендована к практическому использованию, из чего следует вывод о необходимости использования более надежных исходных племен гов. Для исходных данных варианта 2 таблицы 1 надежность обеспечивается рядом схем, наиболее простая из которых, приведенная на рис.4, рекомендуется к применению.

рис.З.Укрупнснная схема резервирования однократного по срабатыванию и двухкратног о по несрабатыванию

рис.4.Мииимальная мажоритарная схема

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам диссертационной работы могут быть сделаны следующие ныводы:

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 защит ы 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 профамма, моделирующая режимы сети дли испытаний комплекса.

4. Применительно к разработанному комплексу программного обеспечения предложена минимальная по условию обеспечения быстродействия 1*4 и Л ст руктура муль типроцессорной сис темы. Выявлены устойчивые временные соотношения, определяющие характерную структуру для широкого набора реализуемых устройств РЗ и А.

5. Проведен анализ ряда методов обеспечения надежнос ти 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.

Подписано к печати Л

Псч. л. ш Тираж /00 Заказ 610

Типофафня МЭИ, Красноказарменная, 13.

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.

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.

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.

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