книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ

ГИБКИЕ СИСТЕМЫ

РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Под редакцией В.П. МОРОЗКИНА

МОСКВА

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

1988

П Р Е Д И С Л О В И Е

Основными направлениями социально-экономического развития стра­ ны на 1986—1990 гг. и на период до 2000 г., утвержденными XXVII съез­ дом КПСС, предусматривается дальнейшее развитие энергетики —ключе­ вой отрасли народного хозяйства. Конкретные задачи научно-техничес­ кого прогресса в топливно-энергетическом комплексе определены Энергетической программой СССР. Научно-техническая революция и интенсификация научно-технического прогресса выдвигают в настоящее время на первое место проблемы обеспечения необходимой надежно­ сти, живучести и безаварийности сложных технических объектов и систем управления ими. К таким объектам относятся современные мощные ЭЭС, их элементы (например, электрические станции, особен­ но атомные, дальние линии электропередачи, электрические распреде­ лительные сети крупных промышленных предприятий, автономные, электроэнергетические установки) и системы управления ими, включа­ ющие устройства релейной защиты (РЗ) и противоаварийной автомати­ ки. В последние годы в связи с бурным прогрессом в области вычисли­ тельной техники и, в частности, появлением микропроцессоров (МП) и микроЭВМ наметилась тенденция к широкому их внедрению в техни­ ку РЗ. Признано, что к настоящему времени появился мощный фунда­ мент для развития РЗ в цифровом исполнении. Этому способствовало то, что с появлением новых требований к автоматизации энергетичес­ ких объектов традиционная РЗ на аналоговых элементах оказалась не в состоянии конкурировать с цифровой РЗ, использующей МП. Харак­ терной особенностью перспективных РЗ должно стать выполнение ими функций подсистемы нижнего уровня, связанной с ЭВМ верхнего уров­ ня, осуществляющей автоматическое управление подстанцией, электро­ станцией, энергоблоком. Внедрение МП в технику РЗ позволяет устра­ нить такие недостатки компьютерных РЗ на базе мини-ЭВМ, замедлив­ шие широкое внедрение цифровых защит, как низкая надежность и вы­ сокая стоимость, низкие быстродействие, экономичность и большие мас­ са и габариты. Отличительными чертами РЗ на базе МП являются: высо­ кий уровень унификации элементов, возможность перепрограммирова­ ния на реализацию тех или иных функций без изменения состава комп­ лекса технических средств, возможность расширения функций добавле­ нием новых программ в систему математического обеспечения, сокра­ щение расходов на обслуживание и контроль, сокращение и упрощение

3

этапов разработки и сроков проектирования РЗ, автоматизация процес­ сов диагностики и настройки аппаратуры, возможность реализации алго­ ритмов выявления повреждения повышенной сложности с использова­ нием принципов адаптации, позволяющих снизить ущерб от последствий повреждения объектов защиты (03) и повысить качество электроэнер­ гии.

Тем не менее массового распространения микропроцессорные РЗ (МПРЗ) еще не получили, так как не решены пока многие технические, организационные и экономические проблемы. К числу технических проб­ лем относится подробно рассматриваемая в настоящей книге проблема рациональной организации вычислительных процессов и информацион­ ных связей между элементами МПРЗ, а также между МПРЗ и 03, т.е. проблема рациональной архитектуры МПРЗ. В частности, рассматривают­ ся два способа программирования МПРЗ —процедурный (программиро­ вание процедуры выявления повреждений 03) и процедурно-аппаратный (программирование структуры РЗ, в частности программирование ком­ мутации функциональных узлов устройств РЗ).

В качестве 03 в книге наряду с объединенными рассматриваются также и автономные ЭЭС. Это определяется тем, что для объединенных и автономных ЭЭС используются практически одни и те же принципы защиты, а также значительным ростом удельного веса установленных мощностей автономных ЭЭС, существенно превышающих к настоящему времени суммарную мощность объединенных ЭЭС [35]. Однако при построении системы РЗ автономных ЭЭС необходимо учитывать их не­ которые специфические особенности, и прежде всего частую реконфигу­ рацию сетей. Эта и другие особенности автономных ЭЭС учтены при из­ ложении материалов соответствующих глав книги. Тем не менее основ­ ные положения книги могут быть в равной мере использованы для сис­ тем РЗ ЭЭС любого типа.

Обобщающие работы по применению МП в устройствах РЗ малочис­ ленны и представлены статьями в отечественной и зарубежной периоди­ ческой литературе. Настоящая работа является одной из первых попы­ ток изложения темы и не претендует на исчерпывающую полноту, так как посвящена прежде всего одному из аспектов рассматриваемой проб­ лемы применения МП в РЗ —организации архитектуры РЗ с приданием ей свойства гибкости как важнейшего показателя качества функциони­ рования РЗ в обеспечении безаварийности 03, определяющего переход от экстенсивного к интенсивному пути развития техники РЗ. В связи с этим все замечания и пожелания читателей несомненно окажутся полез­ ными и будут приняты авторами с благодарностью.

Книга является результатом многолетней совместной творческой ра­ боты авторского коллектива. Однако при ее написании оказалась целе­ сообразной раздельная подготовка материалов членами авторского коллектива в зависимости от характера проведенных ими исследований. Книгу написали: § 2.1, 5.2, 6.2, 6.3 —В.В. Михайлов; § 1.1, 4.4 (сучас-

4

Общее руководство при подготовке рукописи к печати выполнено В.В, Михайловым, который, будучи поистине душой авторского кол­ лектива и главным инициатором написания этой книги, успел завершить работу над ней, но, к нашей скорби, ушел из жизни, не дождавшись выхода книги в свет.

Авторы с удовлетворением отмечают, что подходы к вопросам, из­ лагаемым в книге, сформулированы ими под влиянием идей и резуль­ татов фундаментальных исследований чл.-кор. АН СССР А.В. Каляева, докторов техн. наук А.М. Федосеева и И.А.Рябинина в соответствующих областях науки и техники (теории многопроцессорных систем с про­ граммируемой архитектурой, теории релейной защиты, теории живуче­ сти и безаварийности сложных технических систем). Глубокую благо­ дарность авторы выражают доктору техн. наук В.П. Морозкину, регуляр­ ные творческие дискуссии с которым в процессе работы над книгой во многом способствовали формированию ее основных положений. Авто­ ры признательны рецензенту канд. техн. наук Я.Н. Луганскому, редак­ тору книги канд. техн. наук В.Н. Новелле, а также доктору техн. наук В.Ф. Гузику, внесшим не только ряд ценных замечаний, но и полезные предложения, позволившие улучшить содержание и оформление книги. Авторы благодарны кандидатам техн. наук В.А. Сычеву, В.В. Михайло­ ву, В.Д. Майорову, В.М. Шевцову, В.Н. Козлову, Г.Н. Евтееву, инжене­ рам Г.Б. Дорофееву, Б.В. Образцову, В.Ш. Гатенадзе за помощь в прове­ дении отдельных исследований и обработке результатов.

Пожелания и замечания по книге просьба напрявлять в Энергоатомиздат по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.

Авторы

В В Е Д Е Н И Е

Функционирование РЗ представляет собой вид управления, заключа­ ющийся в предотвращении и (или) локализации аварии. Конечной целью функционирования РЗ является обеспечение безаварийности 03, т.е. способности системы РЗ путем его отключения своевременно предотвра­ щать развитие на объекте аварийных ситуаций, опасных для оборудова­ ния и обслуживающего персонала. Для оценки качества (эффективно­ сти) функционирования системы РЗ выявляются предельные аварий­ ные режимы, грозящие переходом 03 в закритические состояния, кото­ рые определяются конкретными условиями эксплуатации (динамичес­ кой устойчивостью ЭЭС, обеспечением электродинамической и термичес­ кой стойкости электрооборудования и др.). Свойство гибкости РЗ, присущее в той или иной степени как традиционным, так и микропроцес­ сорным защитам, благоприятно влияет на показатели их живучести и качества функционирования в части обеспечения безаварийности 03 при соблюдении заданных требований надежности. Указанные свойства по-разному проявляются у основных и резервных защит. Основные за­ щиты предотвращают развитие на 03 аварии, т.е. обеспечивают без­ аварийность функционирования 03. Резервные РЗ благодаря присущему им свойству живучести (способности дальнего резервирования) обеспе­ чивают локализацию аварии, т.е'. предотвращают ее каскадное развитие Свойство гибкости позволяет повысить качество функционирования ос новных и резервных защит, в частности аппаратную надежность, обеспе­ чивая их техническую реализацию на базе общих функциональных уз­ лов. В пределе можно ожидать соизмеримого уровня качества функцио­ нирования основных и резервных защит, что существенно повысит функ­ циональную надежность и эффективность системы защиты в целом.

Так как устройства РЗ по своему функциональному назначению яв­ ляются автоматами, осуществляющими обработку информации о состоя­ нии элементов ЭЭС, т.е. решающими управляющими устройствами, то правомерен проявляемый в последние годы интерес к использованию в них средств вычислительной техники (ВТ). В настоящее время интен­ сивно ведутся работы по созданию для объединенных и автономных ЭЭС (соответственно высоких и низких напряжений) устройств РЗ нового поколения —программируемых защит, использующих техничес­ кие средства современной цифровой микроэлектроники, и в первую

6

очередь микропроцессоры (МП) и микроЭВМ [1—11]. Как известно, предыдущие поколения устройств РЗ выполнялись на базе электромеха­ нических реле, а затем с использованием полупроводниковых элементов и аналоговых интегральных микросхем (ИМС). Следует отметить, что основное отличие указанных поколений устройств РЗ заключалось преж­ де всего в том, что они имели различные технические средства реализа­ ции. Принципы выявления повреждений и алгоритмы функционирования РЗ на базе электромеханических реле, полупроводниковых элементов и аналоговых ИМС отличались незначительно. Однако перечисленные тех­ нические средства позволяли в отдельных случаях придавать системам РЗ свойства параметрической адаптации к изменяющимся режимам за­ щищаемых объектов. В целом предыдущие поколения устройств РЗ, созданные на основе непрограммируемых элементов, функционально представляют собой конечные автоматы второго рода [12] с жесткой

полупроводниковых элементов и ИМС, по всей видимости, еще длитель­ ный период будут находить применение, в первую очередь при реализа­ ции относительно простых алгоритмов выявления повреждений. При этом следует учитывать, что дальнейшее развитие подобных устройств РЗ (повышение технического совершенства, надежности и живучести, со­ вершенствование организации контроля и диагностики технического состояния) может осуществляться только экстенсивным путем, т.е. наращиванием дополнительных технических (аппаратных) средств.

тем) , в значительной мере исчерпал свои возможности, так как вызывает заметные дополнительные затраты и неизбежно сопровождается сниже­ нием эксплуатационной надежности устройств РЗ.

Ниже показывается, что классы РЗ (автономных, комплексных, централизованных, универсальных) определяются их архитектурой, которая программируется различными способами. Традиционно в систе­ мах РЗ на базе средств ВТ используется процедурное программирование, т.е. программирование процедуры выявления повреждения. Исследова­ ния показали, что в ряде случаев в системах РЗ целесообразно исполь­ зовать также комбинированный (процедурно-аппаратный) способ про­ граммирования структуры РЗ, например программирование коммута­ ции заданного набора функциональных узлов [6, 12]. Это в ряде слу­ чаев, особенно в автономных ЭЭС, позволяет повысить техническое со­ вершенство РЗ, например, в отношении быстродействия, функциональ­ ных возможностей и т.д. Дри технической реализации системы РЗ про­ цесс формирования ее архитектуры определяется прежде всего програм­ мированием структуры. Поэтому в дальнейшем при описании конкрет­ ных технических решений в основном используется термин ’’программи­ рование структуры”.

7

Создаваемое поколение программируемых РЗ на базе средств ВТ (МП и микроЭВМ на их основе) обладает свойством абсолютной гиб­ кости, т.е. сочетанием гибкости всех видов —параметрической, алгорит­ мической и функциональной [6, 8—10]. Термин ’’гибкая РЗ” является более широким и универсальным, чем термин ’’программируемая РЗ”, так как последний подразумевает обычно использование только проце­ дурного способа программирования РЗ, в то время как структура гиб­ кой РЗ может программироваться и процедурно-аппаратным способом, в частности путем программирования коммутации информационных ка­ налов и функциональных узлов. В дальнейшем в книге используется в основном термин ’’гибкая РЗ”, предусматривающий возможность про­ граммирования РЗ любым из указанных выше способов. Свойство гибкости является одним из наиболее ценных качеств РЗ нового поко­ ления, позволяющим расширять функциональные возможности РЗ, выполнять их универсальными (т.е. инвариантными к видам выявля­ емых повреждений и сложности объектов защиты) без пропорциональ­ ного наращивания аппаратных средств и неоправданного расширения но­ менклатуры проектируемых устройств РЗ. Все это позволяет наметить перспективу перехода техники РЗ от экстенсивного к интенсивному пу­ ти ее развития.

Отмеченный выше подход —смена элементной базы и почти механи­ ческое перенесение известных принципов построения на новое поколе­ ние РЗ —был использован и на первых этапах внедрения в РЗ средств цифровой ВТ. При этом использование ЭВМ в технике РЗ столкнулось с определенными трудностями при решении проблем обеспечения необ­ ходимых требований к быстродействию, надежности функционирования, экономическим показателям [1-5]. Представляется, что решение упо­ мянутых проблем необходимо искать в новых принципах рациональной организации процесса функционирования систем уРЗ, во многом опреде­ ляемых способами формирования и настройки их архитектуры. Если раньше основное внимание уделялось разработке новых алгоритмов рас­ познавания аварийных ситуаций, то при создании современных и пер­ спективных типов РЗ, особенно предназначенных для электрических распределительных сетей (ЭРС) с часто изменяемой в процессе функцио­ нирования топологией, должное внимание необходимо уделить вопросу формирования архитектуры РЗ. Интересно отметить, что аналогичная проблема актуальна и для специалистов в области ВТ на современном этапе ее развития [12,13].

Универсальные гибкие РЗ позволяют реализовать как структуры за­ щит с параметрической адаптацией, основанной на использовании инфор­ мации об изменении параметров переходных процессов в различных ре­ жимах функционирования 03 (аварийных и эксплуатационных), так и самоорганизующиеся структуры защиты, которые осуществляют адапта­ цию устройств РЗ и к режимам, и к топологии защищаемого объекта. Программа организации и критерий настройки архитектуры универсаль­

8

Г л а в а п е р в а я

ТЕНДЕНЦИИ ПЕРЕВОДА РЗ НА СРЕДСТВА ВТ

1.1. ПРЕДПОСЫЛКИ ПЕРЕВОДА РЗ НА СРЕДСТВА ВТ

Разработка программируемых защит, реализуемых на базе МП-техни- ки, является в настоящее время перспективным направлением в РЗ [1]. Реализация функций РЗ при помощи ЭВМ стала естественным след­ ствием прогресса ВТ. Впервые результат исследований в этой области был опубликован фирмой Westinghouse (США) в 1969 г. [14]. Почти в это же время Мэн и Морисон (Австралия) опубликовали результаты ана­ логичных исследований [15]. Это было время широкого внедрения в различных областях техники мини-ЭВМ. Попытки использования имен­ но этого класса ВТ в РЗ не увенчались успехом, поскольку слишком очевидными по сравнению с традиционными РЗ оказались такие недо­ статки централизованных миникомпьютерных защит, как низкие бы­ стродействие и надежность, высокая стоимость, большие масса и габа­ риты. Именно это замедлило широкое внедрение компьютерных РЗ. Вместе с тем следует признать, что упомянутый этап дал мощный им­ пульс исследованиям в создании РЗ на средствах ВТ. Особенно интенсивно проводятся исследования программного обеспечения, например алго­ ритмов, цифровых фильтров, оптимальных циклов выборки и т.д. [15].

Впервые появившиеся в 1971 г. МП ускорили развитие цифровой тех­ ники на БИС. Благодаря созданию в 1974 г. разрядно-секционированных МП, допускающих наращивание разрядности, открылись новые перспек­ тивы достижения высокого быстродействия и точности обработки ин­ формации за счет применения в РЗ средств ВТ, гарантирующих низкую стоимость, малые массу и габариты, высокую надежность устройств за­ щиты. В связи с бурным развитием МП-техники, а также техники преоб­ разования и передачи информации, признано [15], что к настоящему вре­ мени появился мощный фундамент для развития РЗ в цифровом испол­ нении. С другой стороны, в электроэнергетике сформировались условия, стимулирующие это развитие. В частности, проблемы контроля и защиты ЭЭС существенно углубились из-за усложнения топологии ЭЭС (терри­ ториальное распределение большого числа источников электроэнергии), увеличения мощностей и нагрузок, протяженности электропередач, ус­ ложнения характера протекания переходных процессов в аварийных ре­ жимах. Резко возросшие расходы на содержание обслуживающего пер­ сонала и потребность в повышении качества электроэнергии также сти­ мулируют меры, направленные на повышение степени автоматизации

10