Использование средств автоматизации при вводе в эксплуатацию и техническом обслуживании устройств РЗА

Интенсивное внедрение цифровых устройств релейной защиты и автоматики (ЦРЗА) на фоне имеющегося дефицита квалифицированного обслуживающего персонала не привело, во многих случаях, к ожидаемому повышению показателей релейной защиты. Это связано, прежде всего, с ошибками, обусловленными «человеческим фактором», вносимыми на отдельных стадиях внедрения ЦРЗА (проектирование, пуско-наладочные работы, эксплуатация) [1, 2].

Указанное обусловлено, в том числе функциональной сложностью многих ЦРЗА вследствие большого объема защитных и дополнительных функций, программируемых логическо-функциональных связей, параметров и сообщений, которые необходимо контролировать в процессе проверки правильности функционирования ЦРЗА. Принципиальные затруднения вызывает и тот факт, что отсутствие законченных блоков и программный уровень формирования структуры ЦРЗА во многих случаях затрудняет проверку выбранных функций традиционными методами вследствие одновременного пуска других функций. Учет этого фактора приводит к необходимости применения дополнительных мер (например, перепрограммирования терминалов ЦРЗА) для исключения влияния не проверяемых функций в процессе проверки, что, в свою очередь, ставит под вопрос корректность таких проверок с учетом возможности внесения ошибок при восстановлении конфигурации терминалов. Полноценная проверка традиционными методами значительного объема функций, параметров и сообщений ЦРЗА, существенно большего чем у защит предыдущих поколений потребует не только наличия квалифицированного обслуживающего персонала, но и существенных затрат времени и средств.

Одним из основных путей выхода из создавшегося положения является использование средств автоматизации, в первую очередь, при выполнении пуско-наладочных работ и профилактическом обслуживании ЦРЗА. Указанное обеспечивает, прежде всего:

• повышение качества и достоверности проверки вследствие возможности подведения к ЦРЗА набора последовательностей, содержащих значительное количество аналоговых и дискретных сигналов, необходимых для полноценной проверки отдельных функций ЦРЗА;
• необходимый объем проверки многочисленных функций ЦРЗА и фиксацию результатов проверки, отражаемых в генерируемых протоколах испытаний;
• существенное снижение затрат времени и средств на проверку ЦРЗА однотипных объектов;
• снижение требований к квалификации проверяющего персонала и уменьшение числа ошибок, обусловленных «человеческим фактором»;
• запоминание хода и результатов проверки на носителе информации (генерирование протоколов проверки) и возможность при необходимости ее быстрого повторения, в том числе, при эксплуатационном обслуживании.

Ниже рассматриваются вопросы реализации элементов концепции автоматизации технического обслуживания ЦРЗА [1,2] на основе комплекса программно-технических средств, разработанных НПП «Селект» и НПП «Динамика».

ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА АВТОМАТИЗАЦИИ

В качестве базовой программы автоматизации разработано специальное программное обеспечение, позволяющее создавать различные сценарии автоматической проверки функций защиты и автоматики. Это обеспечивается подведением к входам ЦРЗА (обычно шкафам) с помощью компьютерно-управляемого проверочного устройства РЕТОМ-51 (61) требуемых для текущего вида проверки комбинаций аналоговых сигналов (токов и напряжений) и дискретных сигналов с одновременным контролем генерируемых ЦРЗА выходных сигналов и сообщений. При необходимости проведения операций с большим числом входных и выходных дискретных сигналов возможно использование дополнительно приставки-расширителя числа дискретных входов/ выходов РЕТ-64/32.

Для проведения синхронных испытаний по обоим концам линии используется GPS-синхронизация на основе приставки РЕТ-GPS к РЕТОМ-51 (61), которая позволяет, синхронно и синфазно выдавать токи и напряжения обоих удаленных полукомплектов (рис. 1). Для контроля GOOSE-сообщений (стандарт МЭК 61850) используется разработанное фирмой «Динамика» устройство РЕТ-61850, которое взаимодействуя с РЕТОМ-51 (61) позволяет генерировать и считывать необходимые сигналы по сети Ethernet.

Базовое программное обеспечение дает возможность интегрировать отдельные модули проверяемых объектов подстанции (ПС) в иерархическую структуру, соответствующую реальной схеме ПС (рис. 2). Обращение к отдельным строкам данной структуры соответствует переходу к процессу автоматизированной проверки выбранных защитных функций элемента ПС.

В частности, иерархическая структура ПС на примере ПС 220 кВ Подушкино включает 4 уровня:

• 1 уровень — присоединение (ЛЭП, Трансформатор, Шины, Реактор);
• 2 уровень — шкаф РЗ и А или комплекс из нескольких шкафов (панелей);
• 3 уровень (при необходимости) — уровень терминала или отдельной группы проверок;
• 4 уровень — вид проверки (проверяемая функция).

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОВЕРКИ ФУНКЦИЙ ЦРЗА

Для того чтобы осуществить проверку той или иной функции защиты или автоматики необходимо сформировать в общем случае с помощью проверочного устройства ряд последовательностей аналоговых (токи, напряжения) и дискретных сигналов, подводимых к ЦРЗА, в том числе изменяющиеся во времени токи и напряжения, соответствующие доаварийному, аварийному и послеаварийному режимам защищаемого объекта, дискретные сигналы, характеризующие состояние элементов энергосистемы (например, блок-контакты выключателя, реле положения РПВ, РПО и т.п.), сигналы, приходящие от РЗА других объектов, сигналы управления, ускорения защит и т.п.

Проверочное устройство конфигурируется таким образом, чтобы принимать и фиксировать сигналы и сообщения, генерируемые ЦРЗА при проверке, в том числе сигналы пуска, отключения, действия отдельных функций. В зависимости от реакции проверяемого ЦРЗА проверочное устройство будет изменять последовательность генерируемых аналоговых сигналов, в частности, прекращать генерирование токов через заданное время после возникновения сигнала отключения объекта, повторно генерировать входные аналоговые сигналы при не успешном АПВ и т.п.

Последовательности генерируемых аналоговых и дискретных сигналов образуются совокупностью отдельных (единичных) программируемых циклов. Длительность цикла может сокращаться при приходе определенных сигналов от ЦРЗА, что также программируется при задании цикла.

Оценка правильности проведенного теста производится в автоматическом режиме в каждом цикле с помощью сопоставления выходных сигналов ЦРЗА с сигналами, которые должны возникнуть при правильном функционировании устройства (оцениваются моменты возникновения и длительность возникающих дискретных сигналов). В каждом цикле возможно задание произвольного числа оценочных условий. В самом условии может анализироваться произвольное число дискретных входов.

По окончании проверки каждой функции программой формируется протокол испытаний, с оценкой каждого теста «Норма» или «Ошибка» и с указанием полученных погрешностей. Оценка «Норма» возникает при полном соответствии логики и времен действия выходных контактов УРЗ, подключенных к входам испытательного оборудования, с предварительно заданными состояниями в таблицах оценок. В противном случае возникает оценка «Ошибка».

Проиллюстрируем указанное на примере проверки функции АПВ при не успешном повторном включении. На рис. 3 и рис. 4 представлены соответственно формируемая последовательность циклов, используемых в данной проверке, и таблица протокола с результатами проверки.

Программа дает дополнительную возможность для просмотра и анализа результата выполнения каждого условия оценки (рис. 5). При выборе строки в этой таблице в нижней части окна графически показывается работа выбранного контакта совместно с оценочным условием. Зеленым цветом на графике отображается зона оценки, красной линией — ожидаемая работа контакта, синей — фактический результат.

В протокол комплексных испытаний для каждой проверки при необходимости вводится реальная осциллограмма проверки, фиксируемая проверочным устройством (рис. 6). В осциллограмме по выбору пользователя отображаются необходимые токи и напряжения, контактные выходы и дискретные входы испытательного устройства.

Отличительной особенностью программ проверки является динамический характер проверок, то есть скачкообразное изменение входных сигналов тока и напряжения, что максимально приближает режим испытания РЗА к реальным условиям КЗ. Алгоритм проверок характеристик срабатывания ступеней дистанционной защиты оптимизирован таким образом, что проверяются только характеристические точки (на угле линии и на изломах характеристики) — см. рис. 7. На рис. 8 приведена характеристика срабатывания из протокола испытаний дифференциальной защиты трансформатора.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЭТАПОВ ПУСКА И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ЦРЗА

Пуско-наладочные и приемные испытания

Наиболее актуальным является применение средств автоматизации для проверок ЦРЗА на вновь вводимых или реконструируемых объектах. Рис. 9 поясняет возможный вариант организации проверочных работ.

Необходимыми условиями автоматизации отдельных этапов проверочных работ при наладочных (приемных) испытаниях является наличие компьютерно-управляемого проверочного устройства и базового программного обеспечения, позволяющего пользователю создавать различные проверочные модули с учетом особенностей конкретных объектов. Помимо «стандартных» программ проверки отдельных функций (например, характеристик срабатывания дистанционных защит, дифференциальных защит и т.д.), ключевое значение для комплексной проверки отдельных функций, включая логические связи, при наладочных работах, а также при приемных испытаниях имеет базовое программное обеспечение, позволяющее генерировать произвольные последовательности единичных тестов и контролировать результаты проверки (например, рис. 4). Разработанные на основе базового программного обеспечения программные модули проверки конкретного объекта открыты для наладочного персонала и допускают корректировку проверочных программ с учетом возникающих новых условий.

ОАО «ФСК ЕЭС» в 2008 году принят «Регламент по приему новой техники РЗА в эксплуатацию», предусматривающий проведение приемных испытаний при вводе новой техники РЗА.

При приемке ЦРЗА сложных объектов, целесообразно использовать, в необходимых случаях, итоговую комплексную проверку (ИКП) [2], когда при вводе в эксплуатацию производится проверка всего комплекса РЗА объекта путем имитации повреждений на объекте с соответствующими сигналами, подводимыми к входам комплекса РЗА (например, рис. 1). При этом проверяется реакция всего комплекса РЗА на различные повреждения на защищаемом объекте (внешние и внутренние повреждения, успешное не успешное АПВ и ОАПВ, действие УРОВ и т. д.) и, следовательно, контролируются не только ошибки при монтаже и наладке, но и возможные ошибки в проекте.

При проведении ИКП конфигурация, параметры и уставки проверяемого ЦРЗА полностью соответствуют рабочему состоянию отдельных терминалов и всего комплекса РЗА объекта, предусмотренному проектом.

Входные цепи переменного тока и напряжения отсоединены от измерительных трансформаторов и присоединены к входам испытательного устройства (ИУ). Программно управляемое ИУ генерирует сигналы переменного тока и напряжения, соответствующие различным видам КЗ внутри и вне защищаемого объекта и синхронно с необходимыми сдвигами по времени генерирует дискретные сигналы, соответствующие действию от РЗА других объектов, если они в данном случае предусмотрены. Одновременно контролируются и выходные сигналы комплекса, подаваемые на вход ИУ (например, рис.1).

Отметим, что концепция ИКП основана на принципе «черного ящика» — на входах комплекса УРЗА создаются сигналы, соответствующие различным повреждениям в энергосистеме и контролируется правильность генерируемых комплексом команд и сообщений. Поэтому необходимость специальных знаний, связанных с особенностями ЦРЗА отдельных производителей минимизируется. Ошибки, связанные с переходом от режима проверки к рабочему режиму, также минимизируются тем, что этот переход определяется в основном переключениями в цепях переменного тока и выходных сигналов комплекса и не затрагивает операции с микропроцессорными терминалами. Правильность восстановления цепей переменного тока и напряжения проверяется обычным методом контроля «под нагрузкой».

При проведении ИКП для расчета КЗ целесообразно использовать максимально простые и по возможности стандартизованные модели (например, рис. 10 для защит ВЛ), которые, в первую очередь, должны служить для проверки правильности реализации проекта комплекса РЗА, при которой проверяются логическо-функциональные связи, обмен сигналами и, главное, работоспособность всего комплекса в части реагирования на различные виды повреждений в энергосистеме.

Техническое обслуживание ЦРЗА в эксплуатационных условиях

Для цифровых устройств РЗА доля отказов, связанных с износом и старением устройств достаточно мала. Поэтому при профилактическом и последующих контролях ЦРЗА объем проверок может быть существенно сокращен и в основу проверок могут быть положены, прежде всего, результаты приемных испытаний. Рассмотренная выше концепция проверок, позволяющая иметь в электронном виде информацию с результатами наладочных и приемных испытаний, которую легко возможно повторить в необходимых случаях, дает возможность, с минимальными затратами времени и средств, провести профилактические и последующие испытания. Одновременно решаются и вопросы организации необходимых форм документации, фиксирующей объем и результаты отдельных видов проверки. С учетом изложенного, при первом профилактическом контроле ЦРЗА пользователю необходимо использовать записанную на электронном носителе программу проведения приемных испытаний, внеся необходимые корректировки в уставках и конфигурации, в случае, если они имели место в период между проверками. Возможно и использование результатов пуско-наладочных испытаний, также заполняемых автоматически в электронном виде.

При проведении этих испытаний используется имеющаяся иерархическая структура проверки (рис. 2), выбирается проверяемое устройство (шкаф) с ЦРЗА и собирается схема подключения испытательного устройства к тестируемому ЦРЗА. Далее из всего объема тестов выбирается необходимый объем проверок и запускается тестовая программа. В необходимых случаях, согласно указаниям программы, обеспечиваются ручные переключения, например, переключения ключей и оперативных накладок проверяемого шкафа с ЦРЗА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные элементы автоматизации пуско-наладочных и приемных испытаний, а также технического обслуживания комплектных устройств с ЦРЗА позволяют существенно повысить качество работ и уменьшить вероятность отказов, вызываемых ошибками вследствие влияния «человеческого фактора». Естественно, при подготовке программного обеспечения проверки конкретных объектов потребуется «инжиниринг», заключающейся в привязке базовых программ к конкретному объекту. Однако, учитывая сложность ЦРЗА и ответственность решаемых задач, применение средств автоматизации при обслуживании ЦРЗА не имеет альтернативы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Э.М. Шнеерсон. Цифровая релейная защита. Москва: Энергоатомиздат, 2007.
2. Э.М. Шнеерсон. Проектирование и эксплуатация — ключевые вопросы современной
релейной защиты. Релейщик, № 1. 2009.