Автоматизированный комплекс тестирования, настройки и разработки систем управления, релейной защиты и противоаварийной автоматики

Automated complex testing, configuration and development of control systems, relay protection and emergency control automation

Vladimir Kaverin

Candidate of Engineering Sciences, аssociate professor, Karaganda State Technical University, Kazakhstan, Karaganda

Zhanbolat Rakhymbek

graduate student, Karaganda State Technical University, Kazakhstan, Karaganda

Аннотация. Современной тенденцией развития средств релейной защиты (РЗ), противоаварийной автоматики (ПА) и систем управления (СУ) является их реализация на микропроцессорной элементной базе. В статье рассматривается способ обеспечения требований к объёмам проверки и настройки современных средств РЗ, ПА и СУ с исполь­зованием программно-аппаратных комплексов.

Abstract. The current trend in the development of relay protection (RP), emergency control automation (PA) and control systems (CS) is their implementation on the microprocessor element base. The article discusses how to meet the requirements for the scope of testing and adjustment of modern means of RH, PA and SU using software and hardware systems.

Ключевые слова: релейная защита; противоаварийная автоматика; системы управления; электроэнергетические сети и системы.

Keywords: relay protection; emergency control automation; control systems; electric power networks and systems.

Введение

Современной тенденцией развития средств релейной защиты (РЗ), противоаварийной автоматики (ПА) и систем управления (СУ) является их реализация на микропроцессорной элементной базе.

Гибкость построения, универсальность и коммуникационные возможности микропроцессорных устройств значительно упрощают задачу разработки более сложных распределенных систем РЗ, ПА и СУ, позволяющих повысить надёжность и управляемость электроэнергети­ческих сетей и систем (ЭСС). Однако усложнение топологии совре­менных ЭСС, а также необходимость обеспечения у них активно адаптивных свойств приводит к усложнению задач тестирования и настройки СУ, РЗ и ПА.

Это, главным образом, связано со следующими обстоятельствами:

· современные устройства РЗ, ПА и СУ характеризуются достаточно сложной программно аппаратной реализацией, а также обширным списком функциональных возможностей и поэтому требуют комплексной проверки доступного функционала во всевозможных режимах работы ЭЭС, в том числе и поэлементной проверки на этапе разработки;

· по-прежнему низкие темпы замены устройств на старой элементной базе новыми микропроцессорными и прогнозируемое еще более медленное внедрение распределенных систем с адаптивными свойствами определяют проблему согласования и учёта взаимного влияния устройств нового поколения и эксплуатируемых в ЭСС электромеханических, аналоговых и микроэлектронных устройств.

Для правильной настройки и полнофункционального тестирования сложных СУ, а также систем РЗ и ПА в настоящее время актуально использование устройств, позволяющих обеспечить высокий уровень достоверности воспроизведения режимных параметров в широком спектре процессов в электроэнергетической системе (ЭЭС). Обеспечить требуемую достоверность воспроизведения режимных параметров возможно путём адекватного моделирования процессов в оборудо­вании ЭЭС. Применение адекватных и детальных моделей ЭЭС для реализации натурных экспериментов, необходимых для разработки, тестирования и настройки сложных СУ, РЗ и ПА, обеспечит минимизацию их неправильных действий в реальных условиях.

Единственным способом обеспечения требований к объёмам проверки и настройки современных средств РЗ, ПА и СУ является использование программно-аппаратных комплексов. Такие комплексы могут использоваться также для выявления различного рода ошибок, например, в алгоритмах функционирования, на стадии разработки РЗ, ПА и СУ.

Перечисленными возможностями обладают цифровые программно-аппаратные комплексы, такие как RTDS [1, 2], eMEGAsim [3]. Данные комплексы обеспечивают моделирование ЭСС в реальном времени, с возможностью подключения через внешние усилители реальных устройств РЗ, ПА и СУ. Для тестируемых устройств реализуется обратная связь с комплексом, что позволяет отображать в модели ЭЭС состояние РЗ, ПА и СУ и учитывать их реакцию в процессе модели­рования. Кроме того, в RTDS заложены математические модели средств РЗ, ПА и СУ, что даёт возможность анализировать взаимодействие тестируемого устройства с другими средствами автоматики.

Однако основу указанных комплексов составляет численный подход к моделированию ЭЭС. Аналогичный подход применяется в программных комплексах EMTP и Simulink [1, 2, 3], математические модели которых являются основой RTDS и eMEGAsim. При этом недостатком всех численных методов [4] является накапливаемая методи­ческая погрешность расчёта дифференциальных уравнений, которую устранить невозможно. В связи с этим накладываются ограничения на порядок и жёсткость системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы в оборудовании ЭЭС. При проверке локальных устройств защиты и автоматики эти недостатки не играют сущест­венной роли, так как время тестирования очень мало, порядка нескольких десятков миллисекунд. Однако, при проверке некоторых средств автоматики и СУ временной диапазон может расшириться до нескольких секунд и даже минут, что приведёт к возрастанию погрешности и её влияния на результат тестирования. Такая же проблема возникнет при проверке и настройке распределённых средств защиты и управления [5], разработка которых в настоящее время становится актуальной задачей.

Получить новые возможности решения вышеуказанных задач позволяет технология гибридного моделирования. Использование данной технологии позволяет исключить методическую погрешность решения дифференциальных уравнений за счёт использования аналогового способа решения, цифровая часть при этом обеспечивает гибкое и точное управление параметрами модели, а также визуализацию результатов, наличие физического уровня делает возможным связь и коммутацию моделируемых элементов аналогично реальным ЭЭС. Таким образом, общая погрешность моделирования, определяется, в основном, качеством аппаратной реализации и является минимальной за счёт использования прецизионных компонентов.

На базе описанной технологии создан Всережимный модели­рующий комплекс реального времени ЭЭС (ВМК РВ ЭЭС) [6], представляющий собой многопроцессорную программно-техническую систему, осуществляющую на аппаратном уровне неявное непрерывное интегрирование на неограниченном интервале системы дифференци­альных уравнений, описывающих процессы в оборудовании ЭЭС. ВМК РВ позволяет реализовать трёхфазную модель энергосистемы, исключить необходимость декомпозиции процессов и упрощения моделей основного оборудования ЭЭС. Возможность реализации всех видов продольных и поперечных коммутаций позволяет смоделировать любой анормальный режим работы ЭЭС.

Программно-аппаратная структура комплекса

Аппаратная часть комплекса представляет собой модульную структуру, в которой каждый модуль состоит из специализированных гибридных процессоров (СГП), реализующих трёхфазное гибридное моделирование отдельных элементов ЭЭС. Рассчитываемые в СГП модельные величины преобразуются в физические фазные токи и напряжения при помощи преобразователей напряжение-ток, после чего поступают в блоки продольно-поперечных коммутаций, через которые выполняется связь моделируемых элементов ЭЭС друг с другом на физическом уровне посредством специальных кросс-плат. Физические токи и напряжения в узлах кросс плат, поступают на аналоговые выходы комплекса, откуда посредством подключаемых внешних усилителей могут быть поданы на аналоговые входы тестируемых устройств СУ, РЗ и ПА.

Характеристики усилителей:

·      параметр значение диапазон изменения переменного тока на выходе 0 – 100 А

·      диапазон изменения переменного напряжения на выходе 0 – 300 В

·      входное сопротивление, не менее 2 кОм

·      рабочий диапазон частот 0 – 800 Гц

·      отклонение фазовой характеристики от линейной в диапазоне частот: - от 0 до 100 Гц; ≤ 0,1˚, от 100 до 800 Гц; ≤ 0,5˚

·      напряжение питания 220 В ± 15 %

·      диапазон изменения напряжения на входе ± 10 В

Выводы

Разработанный комплекс представляет собой универсальный инструмент эффективного решения задач тестирования, настройки и разработки широкого спектра автоматических и автоматизированных систем и устройств защиты и управления ЭЭС любой степени сложности. Заложенные в основу данного комплекса научные и инженерные разработки, прошли масштабную апробацию на реальных объектах энергетики и показали свою эффективность в решении широкого спектра задач, а его уникальные характеристики определяют отсутствие аналогов во всём мире.