Комплексная проверка и автоматизация технического обслуживания цифровых устройств РЗА

Введение

Цифровые устройства релейной защиты (ЦУРЗ) по конструктивному исполнению существенно отличаются от их предшественников (электромеханических и микроэлектронных). В защитах нового поколения невозможно физически выделить отдельные функционально законченные блоки, например, такие как реле тока, сопротивления и т.д., так как назначение и работа измерительных органов (ИО) в ЦУРЗ определяется программой соответствующего алгоритма преобразования входных сигналов. Соответственно, в отличие от защит предыдущего поколения, в ЦУРЗ настройка уставок заменятся параметрированием, а точность выставленных уставок зависит от двух факторов: заводской настройки аналоговых входов и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также внутреннего программного обеспечения терминала. Очевидно, что все это вносит свой «отпечаток» и на проведение работ по техническому обслуживанию, в частности наиболее актуальным при этом является не проверка характеристик измерительных органов, а проверка логики защиты.

Находясь на новой или реконструируемой подстанции в окружении десятков шкафов с микропроцессорными терминалами, часто различных производителей, имеющих сотни программируемых параметров, генерирующих тысячи сообщений, содержащих сложные программируемые логическо-функциональные связи, понимаешь тяжесть положения часто немногочисленного эксплуатационного персонала, который должен «освоить» в традиционном понимании всю эту технику. К этому следует добавить, что не всегда имеется достаточная и удобоваримая документация, в том числе и проектная, позволяющая понять и проследить взаимодействие многочисленных функций как внутри терминалов, так и во всем защитном комплексе объекта в целом.

Согласно статистике большая часть технологических нарушений на объектах ЕНЭС связана с ЦУРЗ, основная причина которых низкое качество выполнения проектных, монтажно-наладочных работ и приемки оборудования. Очевидно, что такая ситуация совершенно недопустима и необходимо принимать специальные меры для повышения качества работ и исключения при их проведении ошибок.

В сложившихся условиях усложнения техники и технологии, существующая философия тестирования предъявляет повышенные требования к квалификации персонала и вызывает существенные затраты времени, что в ситуации сокращения эксплуатирующих служб, отсутствия удобной и понятной документации, как заводской, так и проектной, приводит к значительному увеличению потока отказов ЦУРЗ (ложная, избыточная работа, отказы, срывы АПВ и т.п.) [1]. Предложенные некоторыми производителями цифровых РЗА методы проверки, основанные на применении специальных режимов тестирования с использованием тестовых (контрольных) выходов, значительно упрощают процесс тестирования, но такой синтетический метод слишком абстрактен и не дает представления о работе защиты в реальных условиях, особенно в случаях свободно конфигурируемой логики терминала.

Как считают авторы данной статьи, эффективным средством контроля правильности реализации работ по внедрению новых ЦУРЗ является проведение автоматизированной комплексной проверки (АКП), под которой понимается совокупность проверок функций защиты и автоматики по своему характеру наиболее приближенная к реальным условиям эксплуатации, состав которых необходим и достаточен для оценки общей работоспособности устройств РЗА.

Данный подход основан на концепции «черного ящика» — на входах ЦУРЗ создаются сигналы, соответствующие различным повреждениям в энергосистеме и контролируется правильность генерируемых комплексом команд и сообщений.

Основными принципами этого подхода являются:

1. В связи с тем, что в современных устройствах ЦРЗА существует множество параметров, так называемых электронных ключей, которые влияют одновременно на ряд функций защиты, то есть вывод одной влияет на действие другой, необходимо, для адекватной оценки работоспособности обязательное проведение всех проверок на рабочих уставках, без загрубления каких-либо или вывода отдельных защитных функций, которые могли бы мешать проведению проверок традиционными методами. То есть, при проведении испытаний не допускается пере параметрирование, проверяется терминал с конечной версией конфигурационной программы. Такой подход так же минимизирует ошибки, связанные с переходом режима проверки к рабочему режиму, так как затрагивает операции с микропроцессорными терминалами, а правильность восстановления цепей переменного тока и напряжения затем легко проверить методом контроля «под нагрузкой».
2. Имитируемые аварийные воздействия должны быть наиболее приближены к реальным режимам (скачкообразное изменение входных величин при переходе от нагрузочного к аварийному режиму, что в основном соответствует соотношениям между входными величинами устройств РЗА, возникающими при КЗ).
3. Реакция устройств РЗА определяется путем подачи граничных условий (обычно 0,95 и 1,05 для ЦРЗА) от той или иной уставки, что для ЦРЗА с учетом его конструктивных особенностей и принципа действия, это является также и достаточным условием не только для проверки логики, но и параметров измерительных органов.
4. Обязательная фиксация прохождения всех воздействий, как по «меди» (по жилам контрольных кабелей), так и по «цифре» (по сетевому интерфейсу через цифровую сеть по протоколу IEC 61850). Важно также фиксировать не только тот факт, что необходимые сигналы приходят до места назначения, но и отсутствие излишних, ложных сигналов. Данный подход позволяет оценить правильность монтажа и корректность проектного решения, так как отслеживается вся цепочка передачи сигнала до коммутационного аппарата.
5. Возможность быстрого повторения проверки или отдельных тестов для последующего технического обслуживания, местным эксплуатирующим персоналом.

Основные этапы автоматизированной комплексной проверки:

1. Определение на основе анализа проекта РЗА объекта и заданных уставок объема испытаний АКП (виды повреждений, в том числе с учетом успешных и неуспешных АПВ, отказов выключателя, ускорения отключения и т.п.). На данном этапе желательно было бы иметь утвержденный регламент объема необходимых проверок для каждого энергообъекта, например, присоединение 500 кВ, АТ-500 кВ и т.д. для всех уровней напряжений.
2. В процессе наладки соответствующей организацией осуществляется разработка тестовой программы как последовательности единичных тестов, характеризующихся заданными на определенный промежуток времени комбинациями выходных сигналов переменного тока, напряжения и дискретных сигналов подаваемых с помощью испытательного комплекса. Смена единичных тестов зависит от команд РЗА (логических сигналов) поступающих в испытательную установку (например, переход к единичному тесту бестокового режима после команды отключения выключателя). Одновременно при программировании тестов задаются с помощью базовой программы для каждого единичного теста ожидаемые комбинации выходных сигналов РЗА, которые должны возникнуть в определенные диапазоны времени при правильном функционировании релейной защиты. В последующем производя сравнение полученных сигналов с заданной последовательностью, характеризующей правильное функционирование при данном виде повреждения, определяется корректность работы защит.
3. В ходе проведения проверки проводиться запись и протоколирование всех промежуточных результатов (сигналов переменного тока и напряжения, дискретных входных и выходных сигналов ЦУРЗ, сообщений генерируемых ЦУРЗ. Указанное обеспечивает не только контроль результатов, но и позволяет произвести анализ и выявление ошибок.
4. По окончанию наладочных работ, в процессе приемки, полный набор тестов, настроенный в процессе наладки, совместно с представителями эксплуатирующей организации проводиться в автоматическом режиме. Анализ результатов демонстрирует степень готовности РЗА к вводу в работу. Данный этап одновременно ознакомляет эксплуатирующий персонал с работой программы для последующего самостоятельного ее применения при проведения технического обслуживания (К1, К, В).

Проведение АКП возможно как для отдельного терминала или шкафа, так для комплекса шкафов РЗА защищаемого присоединения в целом.

Комплексная проверка терминала (шкафа) в целом.

Проверяется логика работы устройства, все задействованные функции защиты и автоматики, но без взаимодействия с внешними цепями (до клеммника). Все коммутационные аппараты при необходимости заменяются моделями.

Комплексная проверка защит и автоматики присоединения.

Проверяется логика работы всех устройств защиты и автоматики присоединения, все задействованные функции, а также контролируются все взаимодействия с другими устройствами защиты и автоматики других присоединений, с действием на коммутационные аппараты или их модели. Например, действие УРОВ присоединения в ДЗШ с последующим селективным отключением других присоединений.

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 «Система комплексного автоматизированного тестирования РЗА» (СКАТ-РЗА), предназначенное для автоматизации проверок устройств РЗА, которое позволяет создавать различные сценарии автоматической проверки защитных функций и автоматики. Это обеспечивается подведением необходимых комбинаций аналоговых сигналов (токов и напряжений) с одновременным подведением к входам ЦУРЗ (обычно шкафам) требуемых для текущего вида проверки дискретных сигналов и контролем генерируемых ЦУРЗ выходных сигналов и сообщений с помощью компьютерно- управляемого проверочного устройства РЕТОМ-51(61). При необходимости проведения операций с большим числом входных и выходных дискретных сигналов возможно использование РЕТОМ-51(61) совместно с приставкой-расширителем 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. Для контроля GOOSE сообщений планируется использование блока РЕТ-61850, который позволяет считать необходимые сигналы срабатывания из общего потока данных, передаваемых по сети Ethernet и передавать их в РЕТОМ-51(61).

Для облегчения подключения испытательного комплекса, целесообразно, на этапе проектирования закладывать в шкафы РЗА специальные контрольные разъемы или тестовые переключателя.

Базовое программное обеспечение даёт возможность интегрировать отдельные модули проверяемых объектов ПС в иерархическую структуру, соответствующую реальной схеме ПС (рис. 1).

В частности, иерархическая структура ПС 110-500 кВ (рис.2) включает 4 уровня:

• 1 уровень – присоединение (ЛЭП, Трансформатор, Шины, Реактор);
• 2 уровень – шкаф РЗиА или комплекса из нескольких шкафов (панелей);
• 3 уровень (при необходимости) – уровень терминала или отдельной группы проверок;
• 4 уровень – проверки.

Обращение к отдельным строкам данной структуры соответствует переходу к процессу автоматизированной проверки выбранных защитных функций элемента ПС.

Автоматизированная проверка отдельных функций

Для того, чтобы осуществить проверку той или иной функции защиты или автоматики необходимо сформировать в общем случае с помощью проверочного устройства ряд последовательностей аналоговых и дискретных сигналов, подводимые к ЦУРЗ, в том числе изменяющиеся во времени токи и напряжения, соответствующие доаварийному, аварийному и послеаварийному режимам защищаемого объекта, дискретные сигналы, характеризирующие состояние элементов энергосистемы (например, блок-контакты выключателя, 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 ЦУРЗ при проверке, в том числе сигналы отключения, действия отдельных функций. В зависимости от реакции проверяемого ЦУРЗ 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 неуспешном АПВ и т.п.

При проверке последовательности генерируемых аналоговых и дискретных сигналов образуется совокупностью отдельных (единичных) программируемых циклов. Длительность цикла может сокращаться при приходе определенных сигналов от ЦУРЗ, что также программируется при задании цикла.

Оценка правильности проведенного теста производится в автоматическом режиме в каждом цикле с помощью сопоставления выходных сигналов ЦУРЗ 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 проверок пользователь получает готовый протокол испытаний, с оценкой каждого теста «Норма» или «Ошибка» и с указанием полученных погрешностей. Оценка «Норма» выставляется при полном соответствии логики и времен действия выходных реле устройств РЗА, подключенных к входам испытательного оборудования, с предварительно заданным в таблицах оценок ожидаемым результатом. При отличии логики работы от заданной и выходе времен возникновения/возврата выходных сигналов за пределы заданных погрешностей возникает оценка «Ошибка». Результаты, относящиеся к оценке «Ошибка» в протоколе помечаются красным цветом, что помогает в дальнейшем, во время анализа результатов испытаний, разобраться в причинах неправильного функционирования.

Проиллюстрируем указанное на примере проверки функции АПВ при неуспешном включении на КЗ. На рис. 2 представлена последовательность циклов, используемых в данной проверке.

Программа дает дополнительную возможность для просмотра и анализа результата выполнения каждого условия оценки в специальной таблице (рис. 3). При выборе строки в этой таблице в нижней части окна графически показывается работа выбранных контактов 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. 4). В осциллограмме по выбору пользователя отображаются необходимые токи и напряжения, контактные выходы и дискретные входы испытательного устройства.

Так же имеется возможность просмотра осцилограмм, «скаченных» из терминалов в Comtrade формате с последующей их выдачей через РЕТОМ-51(61) в случае необходимости.

Автоматизация приемных испытаний

При приемке ЦУРЗ сложных объектов, целесообразно использовать, в необходимых случаях, итоговую комплексную проверку (ИКП) [1,2], когда при вводе в эксплуатацию производится проверка всего комплекса РЗА объекта путем имитации повреждений на объекте с соответствующими сигналами, подводимыми к входам комплекса РЗА. При этом ход проверки мало зависит от типа применяемых устройств РЗА, так как проверяется реакция всего комплекса РЗА на различные повреждения на защищаемом объекте (внешние и внутренние повреждения, успешное неуспешное АПВ и ОАПВ, действие УРОВ и т. д.), 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.5).

При проведении ИКП для расчета КЗ целесообразно использовать максимально простые и по возможности стандартизованные модели (например, рис. 6) 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.

Заключение

Рассмотренные элементы автоматизации пуско-наладочных и приемных испытаний, а также технического обслуживания комплектных устройств с ЦУРЗ 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 ЦУРЗ и реальное состояние с эксплуатационными показателями цифровой релейной защиты [2], применение средств автоматизации при обслуживании ЦУРЗ не имеет альтернативы.

Выше описанный подход был опробован на подстанциях МЭС Центра и МЭС Востока, где подтвердил свою высокую эффективность и получил высокую оценку эксплуатирующего персонала.

Список литературы

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