Ewolucja elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej

ZESZY TY N A U K O W E PO LITEC H NIK I ŚLĄSKIEJ Seria: EL E K T R Y K A z. 175

2000 N r kol. 1473

W ilibald W IN K LER

EWOLUCJA ELEKTROENERGETYCZNEJ AUTOMATYKI ZABEZPIECZENIOWEJ

S treszczen ie. W artykule dokonano przeglądu rozw oju techniki zabezpieczeniowej stosowanej w elektroenergetyce na przestrzeni m ijającego stulecia. Scharakteryzowano kolejne generacje autom atyki zabezpieczeniowej, działające na zasadach: elektrom echa­

nicznej, statycznej i cyfrowej. Szczególną uw agę pośw ięcono w spółczesnym rozwią­

zaniom zabezpieczeń cyfrow ych wskazując na ich korzystne cechy i m ożliw ości, w tym adaptacyjność i łatw ość integracyjną z innym i system am i funkcjonalnymi.

EVOLUTION OF POWER SYSTEM PROTECTION

S u m m a ry . T his paper presents a survey o f the developm ent o f pow er system protection techniques in the course o f the bygoing century. The successive protection generations based on electrom echanical, solide state and digital principles o f operation are being characterized. Especial attention is given to present day digitally based protection system s accentuating their expedient features and abilities, am ong others the adaptivity and integration ease w ith other functional systems.

1. W P R O W A D ZEN IE

Z abezpieczenia elektroenergetyczne pojaw iły się w eksploatacji w raz z pierw szym i ukła­

dami do w ytw arzania, przesyłu i użytkow ania energii elektrycznej. W ynikało to z koniecz­

ności zapew nienia w szystkim elem entom tych układów skutecznej ochrony przed następ­

stwami zakłóceń, zw łaszcza groźnych zwarć w ielkoprądowych. O ile z początku zadowolono się stosow aniem bezpieczników i w yzw alaczy pierw otnych do przeryw ania przepływ u prą­

dów zw arciow ych [1], o tyle w m iarę rozbudow y układów elektroenergetycznych, w zrasta­

jących m ocy zw arciow ych i napięć roboczych, poszukiw ano now ych rozw iązań technicznych, zdolnych do w ykryw ania w szystkich m ożliw ych zakłóceń w danym obiekcie elektroenerge­

tycznym (generatorze, transform atorze, linii elektroenergetycznej itd.) i podejm ow ania w ła­

ściwej decyzji w postaci w yłączenia uszkodzonego elementu, zm niejszenia obciążenia, doko­

nania przełączeń, itp. [2, 3, 4], W ym agało to w prow adzania ciągle now ych kryteriów zabez­

pieczeniow ych oraz m etod i środków pom iarow ych spełniających podstaw ow e w ym agania staw iane autom atyce zabezpieczeniow ej, tj. selektywności, niezaw odności, szybkości i czu­

łości. N iektóre z tych w ym agań trudno było spełnić w sposób zadow alający w danym stadium rozw oju zastosow anej techniki i technologii w urządzeniach zabezpieczających.

Poniżej om ów ione zo stan ą najistotniejsze cechy charakteryzujące generacje zabezpieczeń elektroenergetycznych.

2. G E N E R A C JA PIER W SZA : ZA B EZPIEC ZEN IA ELEK TR O M EC H A N IC ZN E

C harakterystyczną cech ą pierw szej generacji zabezpieczeń opartych n a pom iarow ych przekaźnikach elektroenergetycznych b y ła ich jednofunkcyjność, polegająca na tym , że reali­

zow ana by ła tylko je d n a je d y n a funkcja, tj. zabezpieczeniow a. Przekaźniki takie, jak: nad- prądow e, pod- i nadnapięciow e, różnicow oprądow e czy odległościow e były w ykonyw ane ja k o elem enty odrębne, nie zintegrow ane w zespoły dedykow ane chroniące określony obiekt, np. generatory synchroniczne czy transform atory. Innym i słowy: w yposażenie konkretnego obiektu elektroenergetycznego w pełny zestaw aparatury przekaźnikow ej polegało na kom ­ pletow aniu indyw idualnych przekaźników , z których każdy m iał sw oje w łasne zadanie do spełnienia, i tak np. przekaźnik nadprądow y (nadm iarow oprądow y) w ykryw ał zwarcia w ielkoprądow e, przekaźnik podnapięciow y (niedom iarow onapięciow y) reagow ał na niedo­

puszczalne obniżenie się napięcia np. n a zaciskach silnika elektrycznego itp. O pisane zestaw y przekaźników były m ontow ane n a tzw. tablicach przekaźnikow ych, zaś połączenia elektry­

czne pom iędzy poszczególnym i przekaźnikam i pom iarow ym i, pom ocniczym i, przekładnika- m i prądow ym i i napięciow ym i oraz w yłącznikam i były w ykonyw ane w postaci przewodów lub kabli sterow niczych. Zasilanie przekaźników w napięcie pom ocnicze odbyw ało się głów ­ nie ze stacyjnych baterii akum ulatorow ych o napięciu znam ionow ym 220 V lub 110 V.

P od w zględem zasady działania i konstrukcji przekaźniki elektrom echaniczne w ykorzy­

styw ały - podobnie ja k ów czesne przyrządy pom iarow e - zjaw iska elektrom agnetyczne, elek­

trodynam iczne, indukcyjne i indukcyjno-dynam iczne. O ile w pierw szych dekadach dw udzie­

stego w ieku dom inow ały stosunkow o proste konstrukcje przekaźników elektrom agnety­

cznych, to w późniejszym okresie stopień złożoności, a zatem i perfekcji w ykonania prze­

kaźników w zrastał. Przykładem takiego rozw iązania przekaźnika o złożonej strukturze je st elektrom echaniczny przekaźnik odległościow y jednosystem ow y, stosow any nadal w niektó­

rych sieciach rozdzielczych SN. Jednosystem ow ość przekaźnika p olega n a tym , że m a on tylko je d e n system (człon) pom iarow y, który obok podstaw ow ego zadania, tj. pom iaru odle­

głości do m iejsca zw arcia, spełnia rów nież rolę członu kierunkow ego [1], C złon pom iarowo- kierunkow y działa n a zasadzie indukcyjnej, w ięc m om ent obrotow y zależy tu od m iejsca w ystępow ania zw arcia (np. na linii elektroenergetycznej). W celu uzyskania w ielostrefow ości przekaźnika człon pom iarow o-kierunkow y m usi w spółpracow ać z odpow iednim członem cza­

Ewolucja elektroenergetycznej autom atyki zabezpieczeniow ej 19

sowym, który odliczając kolejne stopnie czasowe, zm ienia zakresy im pedancji poszczegól­

nych stref. W ażną spraw ą je st przy tym , aby do członu pom iarow o-kierunkow ego były doprow adzone takie prądy i napięcia, które zapew niają praw idłow y pom iar im pedancji pętli zw arciow ej. W yboru tych w ielkości pom iarowych dokonują bądź to człony rozruchowe nadprądowe, działające na zasadzie elektrom agnetycznej, bądź też człony rozruchowe pod- im pedancyjne, działające na zasadzie indukcyjno-elektrom agnetycznej.

N a rys. 1 przedstaw iono uproszczony schem at blokow y przekaźnika odległościow ego jed- nosystem ow ego, na rysunku 2 zaś jego charakterystyki rozruchowe.

pp

Rys. 1. U proszczony schem at blokow y jednosystem ow ego przekaźnika odległościow ego Fig. 1. Sim plified block diagram o f a distance relay w ith a single m easuring system

1 - starting elements, 2 -selectors, 3 - measuring - directional element, 4 - timer, 5 - output element

N ajkrótsze czasy działania elektrom echanicznych przekaźników odległościow ych w yno­

sz ą 0 , 1 s, co w m iarę w zrostu m ocy zw arciow ych w system ach elektroenergetycznych, zw ła­

szcza najw yższych napięć, ograniczyło m ożliw ość ich stosowania. C echą dodatnią natom iast tych rozw iązań je s t niew rażliw ość na sygnały zakłócające w w ielkościach pom iarowych, m ających charakter nieokresow y lub oscylacyjny.

Rys. 2. C harakterystyki rozruchow e przekaźnika odległościow ego dla: a) członów rozrucho­

w ych, b) członu pom iarow ego do w ykryw ania zw arć trójfazow ych, c) członu pom ia­

row ego do w ykryw ania zw arć jedno- i dw ufazow ych

Fig. 2. O perating characteristics o f a distance relay for: a) starting units, b) m easuring unit for the detection o f three-phase faults, c) m easuring unit for single- and double-phase faults

3. G E N E R A C JA D R U G A : ZA B EZPIEC ZEN IA STA TY CZN E

W latach sześćdziesiątych, po okresie niepodzielnego panow ania zabezpieczeń elektro­

m echanicznych, n astąpiła era zabezpieczeń statycznych, budow anych przy użyciu elem entów półprzew odnikow ych: diod, tranzystorów , w zm acniaczy operacyjnych itp. D zięki tem u uzy­

skano m ożliw ość skrócenia czasów działania zabezpieczeń do kilku m ilisekund, a w przy­

Ewolucja elektroenergetycznej autom atyki zabezpieczeniow ej 21

padku zabezpieczeń odległościow ych - doskonalszego kształtow ania charakterystyk rozrucho­

wych. T ypow e dotychczas charakterystyki w kształcie okręgów na płaszczyźnie impedancji zespolonej zastąpiono charakterystykam i o kształtach przedstaw ionych n a rys. 3, przez co uzyskano niew rażliw ość zabezpieczeń na silne przeciążenia linii elektroenergetycznych lub na fałszow anie pom iaru odległości w skutek rezystancji przejścia w m iejscu zwarcia.

Rys. 3. Charakterystyki rozruchow e statycznych przekaźników odległościowych: a,), a j , a,) - członów rozruchow ych, b,), b 2) - członów pom iarowych

Fig. 3. O perating characteristics o f solid - state distance relays: a,), nj), a,) - starting units, b,), b 2) - m easuring units

Skrócenie czasów działania w statycznych przekaźnikach odległościow ych uzyskano przez zastąpienie jednosystem ow ych przekaźników przekaźnikam i w ielosystem ow ym i, tzn.

m ającym i n ie je d e n , lecz w iele system ów (członów ) pom iarowych. N ajbardziej rozpow szech­

nionym i rozw iązaniam i są przekaźniki cztero- i sześciosystem owe.

K lasycznym przykładem czterosystem ow ego przekaźnika je st rozw iązanie, w którym ist­

n ie ją trzy człony pom iarow e reagujące n a zw arcia jednofazow e lub zw arcie trójfazow e oraz je d en człon pom iarow y działający podczas zw arć dwufazowych. W tym przypadku istnieją także cztery człony rozruchow e podim pedancyjne o identycznym przyporządkow aniu rodza­

jó w zwarć.

W przekaźnikach sześciosystem ow ych trzy człony pom iarow e reagują na zw arcia jedno­

fazowe, a trzy n a zw arcia m iędzyfazowe.

W k rajo w y m sy stem ie elek tro en erg ety czn y m od w ielu lat są ek sp lo ato w a n e nieprze- łączaln e, w ielo sy stem o w e p rze k aźn ik i o dległościow e p ię cio stre fo w e [5]. C złony p o m ia­

row e w ty c h p rze k a ź n ik a c h są o p arte na ko m p arato rach am plitudy, z a silan e z tak zw a­

n y ch m in i- i m a k sise lek to ró w , n ato m iast człony kieru n k o w e są rea lizo w a n e za p om ocą k o m p a ra to ró w fazy.

N a rys. 4 przedstaw iono ogólną strukturą toru przetw arzania sygnałów w przekaźnikach statycznych. W strukturze tej m ożna w yodrębnić dw ie podstaw ow e części: pom iarow ą (ana­

logow ą) i dw ustanow ą; realizu ją one następujące funkcje:

- dopasow anie i filtrację sygnałów pom iarowych, - porów nyw anie sygnałów i podjęcie decyzji,

- oddziaływ anie na obiekt zabezpieczany lub inne elem enty danego układu elektroener­

getycznego.

S w y S w y

U P

Część pomiarowa Część dwustanowa

Rys. 4. O gólna struktura toru przetw arzania sygnałów w przekaźniku statycznym

1 - układ wejściowy, 2 - układ przygotowawczy, 3 - komparator, 4 - układ logiczno-czasowy, 5 - układ wyjściowy, WED - układ wejść dwustanowych, Up - napięcie pomocnicze, SWE - sygnał wejściowy, Swy - sygnał wyjściowy

Fig. 4. G eneral structure o f the data processing path in a solide-state (static) relay

1 - input module, 2 - preparatory module, 3 - comparator, 4 - time - logic module, 5 - output module, WED - binary input module, Up - auxiliary voltage, Swe - input signal, Swy - output signal

WED

Ewolucja elektroenergetycznej autom atyki zabezpieczeniowej 23

K olejnym krokiem w rozw oju statycznych (elektronicznych) zabezpieczeń elektroener­

getycznych było opracow anie i w prow adzanie do eksploatacji tzw. zespołów autom atyki zabezpieczeniow ej, których zasada budow y polega na zintegrow aniu w ielu indywidualnych przekaźników statycznych, w ykonanych w postaci m odułów , w je d n ą całość [5]. Stanow ią one obecnie najbardziej rozpow szechnioną aparaturę zabezpieczeniow ą nie tylko w energe­

tyce krajowej.

Z godnie z p o lsk ą no rm ą PN-86/E-88601 relacja m iędzy pojedynczym przekaźnikiem a zespołem autom atyki zabezpieczeniow ej je st następująca:

„Zespół autom atyki zabezpieczeniow ej je st to urządzenie elektryczne (elektroniczne) sta­

now iące konstrukcyjną i funkcjonalną całość, realizujące zadania autom atyki zabezpiecze­

niowej w zakresie w ykraczającym poza funkcję pojedynczego przekaźnika pom iarowego lub pośredniczącego” .

N a rysunku 5 przedstaw iono ogólną zasadę tw orzenia zespołów autom atyki zabezpiecze­

niowej zgodnie z po d an ą wyżej definicją. Jako obiekt zabezpieczony w ybrano silnik induk- cyjny w ysokiego napięcia, w którym autom atyka zabezpieczeniow a pow inna wykryć następu­

jące zakłócenia:

- zw arcia m iędzy fazowe w uzw ojeniu stojana,

- zw arcia doziem ne w uzw ojeniu stojana i na wyprowadzeniach silnika, - przeciążenia cieplne,

- obniżenie i zanik napięcia zasilania silnika.

Zespół automatyki zabezpieczeniowej

Przekaźnik ziemnozwarciowy

Rys. 5. Z asada tw orzenia statycznych zespołów autom atyki zabezpieczeniowej

Fig. 5. Principle o f solid-state m odules com bined to form functional units into com plete pro­

tection devices

1 - auxiliary supply, 2 - input module, 3 - overcurrent relay, 4 - earth - fault relay, 5 - overload relay, 6 - undervoltage relay, 7 - output relay

K onw encjonalny sposób w ykryw ania w ym ienionych zakłóceń za pom ocą pojedynczych przekaźników oznaczałby zastosow anie przekaźników takich, jak:

- nadprądow e (bezzw łoczne), - ziem nozw arciow e,

- od przeciążeń cieplnych, - podnapięciow e.

K ażdy z w ym ienionych przekaźników m iałby w łasne układy w ejściow e i w yjściow e oraz zasilanie pom ocnicze. W przeciw ieństw ie do takiego rozw iązania zespół autom atyki zabez­

pieczeniow ej z rysunku 5 m a w spólny m oduł zasilania pom ocniczego (1), w spólny układ w ejściow y (2) i w spólny układ w yjściow y (7). Zasadnicze funkcje zabezpieczeniow e są natom iast realizow ane przez m oduły (3) do (6) odpow iadające poszczególnym przekaźnikom .

Podany przykład je st, oczyw iście, jed n y m z w ielu m ożliw ych rozw iązań. Zarów no struk­

tura zespołów autom atyki zabezpieczeniow ej, ja k i zasada tw orzenia poszczególnych m odułów zależą zarów no od charakteru zabezpieczanego obiektu, ja k i od w ytw órcy tych zespołów.

K rótkie czasy działania statycznych przekaźników i zespołów autom atyki zabezpiecze­

niow ej, reagujących na zw arcia w ielkoprądow e w sieciach elektroenergetycznych o znacz­

nych m ocach zw arciow ych i w zględnie dużych w artościach stałych czasow ych (rzędu 1 0 0 i w ięcej m ilisekund) spow odow ały pow stanie problem u nie dotyczącego przekaźników poprzedniej generacji (elektrom echanicznych przekaźników). W ynikało to ze sposobu doko­

nyw ania pom iarów w kom paratorach am plitudy i fazy, stanow iących podstaw ow e człony m ierzące w urządzeniach zabezpieczających drugiej generacji [6, 7). Do tego doszło zjawisko przyspieszonego nasycenia konw encjonalnych przekładników prądow ych pod wpływem składow ej nieokresow ej prądu zwarciow ego, które w sposób istotny zniekształcało sygnały pom iarow e, na podstaw ie których kom paratory m iały podejm ow ać praw idłow e decyzje o w yłączeniu lub niew yłączeniu zabezpieczanego obiektu elektroenergetycznego [8], W w yniku now ych m etod pom iarow ych i konstrukcji przekaźników oraz przekładników prądow ych uzyskano zadow alającą niew rażliw ość przekaźników statycznych na sygnały zakłócające [9].

4. G E N E R A C JA TR ZEC IA : ZA B EZPIEC ZEN IA CY FRO W E

D w a ostatnie dziesięciolecia przyniosły dynam iczny rozwój m ikroprocesorów i ich zastosow anie w w ielu dziedzinach techniki. N ie om inęło to także autom atyki zabezpie­

czeniow ej, choć tu - w przeciw ieństw ie do innych obszarów zastosow ań - dynam ika rozwoju była nieco m niejsza. W ynikało to głów nie ze specyfiki tej autom atyki, zw łaszcza w zakresie w ym agań odnośnie do niezaw odności i pew ności działania. O kres tej nieodzow nej przecież ostrożności, tow arzyszący zaw sze przem ianom przełom ow ym , m am y chyba ju ż za sobą i zapew ne najbliższa przyszłość będzie zdom inow ana przez zabezpieczenia cyfrowe.

Ewolucja elektroenergetycznej autom atyki zabezpieczeniowej 25

K orzyści z zastosow ania układów cyfrowych w autom atyce zabezpieczeniow ej są w ie­

lostronne. N ajczęściej w ym ienia się następujące [3, 10]:

- m ożliw ość łatw ego kom unikow ania się pom iędzy poszczególnym i urządzeniam i cyfro­

w ym i, i to nie tylko na obszarze danego pola czy stacji, ale także z ośrodkam i i w całym system ie elektroenergetycznym , sprawia, że decyzje podejm ow ane przez dany układ zabezpieczeniow y m o g ą w ynikać ze znacznie większej ilości inform acji niż w przypadku urządzeń analogow ych;

- m oc obliczeniow a m ikroprocesorów um ożliw ia realizow anie bardzo złożonych algory­

tm ów zarów no w zakresie identyfikacji sygnałów, ja k i podejm ow ania decyzji przy nie­

pełnej inform acji o istniejącym stanie system u czy układu elektroenergetycznego;

- łatw o dostępna i niezw ykle pojem na pam ięć układów cyfrow ych pozw ala na zm agazyno­

w anie oraz szybki dostęp do dużej ilości inform acji ważnych dla podejm ow ania pra­

widłowej decyzji;

- układy cyfrow e m o g ą łatw o i często realizow ać autom atyczne sam otestow anie, co jest szczególnie w ażne dla zapew nienia niezawodności działania układów zabezpieczenio­

w ych;

- zintegrow ane układy cyfrow e na obszarze pola, a zw łaszcza stacji elektroenergetycznej, m o g ą znacznie ograniczyć niezbędne okablow anie obw odów wtórnych, zm niejszając w ten sposób koszty budow y obiektów;

- układy cyfrow e zapew niają obsłudze znacznie skuteczniejszą inform ację i doradztwo, a także ułatw iają spraw ozdaw czość;

- koszt urządzeń cyfrow ych m a charakter malejący; coraz pow szechniej stosow ane standar­

dow e oprogram ow anie sprawia, że koszt całkow ity układów zabezpieczających i sterują­

cych m oże być zredukowany.

O becnie spotyka się dw a podstaw ow e typy architektury układów cyfrowych. S ą to układy składające się z niezależnych, rozproszonych urządzeń cyfrowych, najczęściej mniej lub bardziej odw zorow ujących działanie znanych analogow ych (statycznych) zespołów autom a­

tyki zabezpieczeniow ej, oraz układy zintegrow ane, tw orzące cały system zabezpieczeniow o- kontrolno-sterujący. Zapew ne przyszłość będzie należeć do tych drugich. Ich charakterysty­

czne w łaściw ości s ą następujące:

- w ykorzystuje się w iele dedykow anych do poszczególnych zadań m ikroprocesorów , z któ­

rych każdy m oże kom unikow ać się z pozostałym i;

- układy m a ją szereg poziom ów hierarchicznych, przy czym im niższy poziom hierarchii, tym priorytety decyzyjne s ą w yższe;

- poszczególne m ikroprocesory zapew niają sobie w zajem nie rezerw ow anie funkcjonalne, dzięki czem u funkcje krytyczne - w tym realizacja zadań zabezpieczeniow ych - m ogą być w ypełniane zarówno podczas autom atycznego testow ania, ja k i przy pojedynczym uszko­

dzeniu elem entu układu.

N a rysunku 6 przedstaw iono ogólną strukturę toru przetw arzania sygnałów w cyfrowym urządzeniu zabezpieczeniow ym . C złon 1 dokonuje dolnoprzepustow ą filtrację sygnałów zakłócających. W członie 3 przeprow adzane są dw ie operacje: filtracja cyfrow a oraz ortogonalizacja przebiegów sinusoidalnych. Filtracja m a n a celu w ydobycie z sygnału (prądu lub napięcia) tych składow ych, które są podstaw ą do określenia w ielkości kryterialnych w procesie podejm ow ania decyzji. N atom iast ortogonalizacja m a na celu w yznaczenie składow ych ortogonalnych przebiegu sinusoidalnego celem obliczenia jego am plitudy i fazy.

W członie 4 następuje w łaściw y pom iar w artości w ielkości kontrolow anej, np. am plitudy, m ocy czynnej lub biernej, rezystancji i reaktancji pętli zw arciow ej, częstotliw ości, prze­

sunięcia fazow ego m iędzy sygnałam i.

\ c

FILT R A C JA PRZETW ARZANIE C Y F R O W E I

A N A L O G O W A

A

O © © © ©

R ys. 6. O gólna struktura toru przetw arzania sygnałów w cyfrow ym urządzeniu zabezpiecze­

niow ym

Fig. 6. G eneral structure o f th e data p rocessing path in a digital protective device

1 - analog filtering, 2 a/d conversion, 3 - preparatory digital conversion, 4 - digital mea­

surement, 5 - logic and decision

Z punktu w idzenia struktury wew nętrznej cyfrow ych zespołów autom atyki zabezpie­

czeniowej rozróżnia się [1 1]:

- strukturę dedykow aną, p rzypisaną konkretnem u zabezpieczeniu,

- strukturę otw artą, um ożliw iającą przystosow anie danego zespołu autom atyki zabezpie­

czeniowej do dow olnego obiektu.

C echą charakterystyczną struktury dedykow anej je st to, że dany zespół je s t przypisany w sposób trw ały do określonego obiektu, zm iana zaś charakteru zabezpieczenia w ym aga w y­

m iany lub uzupełnienia zarów no w zakresie oprzyrządow ania, ja k i oprogram ow ania. Przy­

kładem struktury dedykow anej je s t cyfrow y zespół autom atyki zabezpieczeniow ej dla genera­

torów m ałej m ocy [12], przedstaw iony n a rysunku 7.

Z aletą struktury otw artej zespołu autom atyki zabezpieczeniow ej je st łatw ość je g o dopaso­

w ania do praw ie każdego obiektu elektroenergetycznego. D opasow anie p olega na odpow ied­

nim w yborze aktyw nych algorytm ów z istniejącej biblioteki softw arew ej, realizujących określone funkcje zabezpieczeniow e. N a rysunku 8 przedstaw iono schem at blokow y takiego rozw iązania.

Rys.7. Schem at blokow y dedykow anego cyfrowego zespołu autom atyki zabezpieczeniowej dla generatorów małej m ocy

1 - moduł wejść analogowych, 2 - przetwornik analogowo-cyfrowy, 3 - moduł pomiarowy, 4 - moduł logiczno-czasowy, 5 - moduł sygnałów wyjściowych, OW - otwarcie wyłącznika, SGP - samoczynne gaszenie pola, Zzo - zamknięcie zaworu odcinającego dopływ pary Fig. 7. B łock diagram o f a dedicated digital protection unit for a generator o f sm all pow er

1 - analog inputs module, 2 - analog to digital converter, 3 - measurement module, 4 - logic/time module, 5 - output signals module. OW - opening o f the circuit breaker W, SGP - de-excitation switch, Zzo - turbine emergency stop valve

N a zakończenie należy bezw zględnie uw ypuklić dwie cechy cyfrowych zabezpieczeń elektroenergetycznych, m ianow icie ich łatw ą adaptacyjność oraz w ielokryterialność.

A daptacyjność oznacza zdolność do sam oczynnego przystosow ania się zabezpieczenia do aktualnych w arunków panujących w obiekcie zabezpieczonym lub system ie elektroenerge­

tycznym, którego dany obiekt je st składnikiem [13]. A daptacja m oże polegać na zmianie charakterystyki rozruchow ej lub wartości rozruchow ej, czasów działania, stre f działania itp.

[13]. W ym ienione cechy m iały w praw dzie ju ż niektóre zabezpieczenia w cześniejszych gene­

racji, np. przekaźniki odległościow e, które w spółpracując z urządzeniam i do samoczynnego ponow nego załączania w sposób autom atyczny skracały zasięg pierwszej strefy działania, jednak technika cyfrow a w dużo w iększym zakresie i w sposób doskonalszy ułatw ia adapta­

cyjność [14]. Zabezpieczenia adaptacyjne korzystają z w ielu narzędzi m atem atycznych, do

których należą m .in. m odele determ inistyczne, logika dw uw artościow a i rozm yta, algorytm y w ielokryterialne i sieci neuronow e [3].

Rys. 8. Schem at blokow y cyfrow ego zespołu autom atyki zabezpieczeniow ej o strukturze otw artej

1 - moduł wejść analogowych, 2 - przetwornik A/C, 3 - moduł główny, 4 - moduł logiki,

5 - moduł konfiguracji zespołu, 6 - moduł z dodatkowym procesorem komunikacyjnym, 7 - moduł wejść i wyjść analogowych

Fig. 8. B łock diagram o f a digital protection unit w ith open-structure

1 - analog inputs module, 2 - analog to digital converter, 3 - main module, 4 - logie module, 5 - configuration module, 6 - module with additional communication processor, 7 - binary in- and outputs

W ielokryterialność oznacza jednoczesne w ykorzystanie większej ilości kryteriów działa­

nia o różnej skuteczności rozpoznaw ania stanów przed aw aryjnym w yłączeniem obiektu zabezpieczanego. P rzykładem m oże być algorytm realizow any w zabezpieczeniach różni- cow oprądow ych transform atorów , w którym ja k o kryteria przyjm uje się zarów no wartość prądu różnicow ego, ja k i odpow iedni poziom harm onicznych. Innym przykładem je st dwu- kryterialne zabezpieczenie szyn zbiorczych, z których jednym kryterium je st prąd różnicowy, drugim zaś fazy poszczególnych prądów.

5. W N IO SK I

Trw ający od około stu lat rozw ój zabezpieczeń elektroenergetycznych m ożna podzielić na trzy zasadnicze etapy. W pierw szym etapie obiekty elektroenergetyczne chronione były w sposób autom atyczny za p om ocą m niej lub bardziej złożonych przekaźników elektro­

Ewolucja elektroenergetycznej autom atyki zabezpieczeniow ej 29

m echanicznych. W iele tych rozw iązań jeszcze dziś je st zainstalow anych w układach elektro­

energetycznych spełniając z pow odzeniem w ym agania staw iane autom atyce zabezpiecze­

niowej.

W drugim etapie rozw oju autom atyki zabezpieczeniowej w ykorzystane zostały statyczne przekaźniki i zespoły zabezpieczeniowe. D zięki technice elektronicznej udoskonalone zostały w łaściw ości zabezpieczeniow e, w tym m.in. zabezpieczeń odległościow ych. W wyniku pow stania zespołów autom atyki zabezpieczeniow ej w sposób istotny uproszczone zostały obw ody wtórne.

O d kilku lat w idoczny je st dynam iczny rozwój zabezpieczeń elektroenergetycznych trzeciej generacji opartej na technice cyfrowej. Cenne zalety techniki cyfrowej um ożliw iły dalsze udoskonalenie w łaściw ości zabezpieczeniow ych i w ym ianę inform acji m iędzy zabez­

pieczeniam i innych obiektów , a także różnym i układam i sterowania, nadzoru itp. U łatwia to w ykorzystanie takich cech zabezpieczeniow ych, ja k adaptacyjność, w ielokryterialność, redun­

dancja, sam otestow anie itp.

D alszy rozw ój autom atyki zabezpieczeniow ej zapewne w bardzo wielkim stopniu będzie oparty na w ypróbow anych kryteriach, natom iast coraz doskonalsze system y cyfrow e i m ożli­

wość w ykorzystyw ania w iększej ilości inform acji dostarczanych dzięki odpow iednim sieciom transm isji cyfrowej b ęd ą decydow ały o kierunku m odernizacji tej autom atyki; jedno jest pewne: ja k długo b ęd ą istniały system y elektroenergetyczne, tak długo b ęd ą także potrzebne zabezpieczenia elektroenergetyczne działające w edług zasady:

Obserwować - wykrywać - rozpoznawać - zlokalizować - zadecydować (np. wyłączyć obiekt).

LITER A TU RA

1. U ngrad H.: V om Prim ärrelais zum M ikroprozessorrelais. Bulletin SEV /VSE, n r 11, 1995, s.11-17.

2. Żydanow icz J.: Elektroenergetyczna autom atyka zabezpieczeniowa. Tom y 1, 2, 3. WNT, W arszaw a 1979, 1985, 1987.

3. U ngrad H ., W inkler W ., W iszniewski A.: Protection techniques in electrical energy sy­

stems. M arcel D ekker Inc., N ew Y ork-Basel-H ong K ong 1995.

4. W inkler W., W iszniew ski A.: A utom atyka zabezpieczeniow a w system ach elektroenerge­

tycznych. W N T, W arszaw a 1999.

5. W róblew ski J.: Zespoły elektroenergetycznej autom atyki zabezpieczeniow ej. WNT, W ar­

szaw a 1993.

6. Żydanow icz J.: W pływ składowej nieokresowej prądu zwarciow ego na kom paratory fazo­

w e koincydencyjne do zabezpieczeń odległościow ych. Arch. Elektrotechniki, n r 2, 1969, s. 347-362.

7. W inkler W.: W pływ procesów przejściow ych na działanie zabezpieczeń elektroenergety­

cznych z kom paratoram i am plitudy. ZN Pol. Śląskiej, n r 373, G liw ice 1973.

8. W iszniew ski A.: P rzekładniki w elektroenergetyce. W NT, W arszaw a 1992.

9. W inkler W.: K orrekte Funktionsw eise von Schutzeinrichtungen trotz tem porärer Strom ­ w andlersättigung. Elektrie, nr 6, 1989, s. 211-213.

10.W iszniew ski A.: A lgorytm y pom iarów cyfrow ych w autom atyce elektroenergetycznej.

W N T, W arszaw a 1990.

11.H alinka A ., W inkler W.: S truktury w spółczesnych cyfrow ych zespołów autom atyki zabez­

pieczeniow ej. A utom atyka elektroenergetyczna, n r 4, 1996, s. 18-22.

12.W róblew ska S.: M ikroprocesorow y zespół autom atyki zabezpieczeniow ej generatora. A u­

tom atyka elektroenergetyczna, nr 4, 1995, s. 17-20.

13.W iszniew ski A ., W inkler W.: C zy zaczyna się era zabezpieczeń adaptacyjnych? A utom a­

tyka elektroenergetyczna, n r 2-3, 1996, s.23-25.

14.Proceedings o f th e C IG R E Study C om m ittee 34-Sym posium , Session Papers PS2, Stock­

holm , Rep. 34-201-34-212.

W płynęło do R edakcji dnia 15 m aja 2000 r.

A b s tra c t

T he evolution o f pow er system protection technique is changing continuously from the very beginning o f the introduction o f a.c. pow er system s w ith all they fundam ental elements like: synchronous generators, transform ers, transm ission lines and feeders, bus-bars, electric m otors, etc.

T he first protective elem ents w here high voltage fuses and prim ary overcurrent releases.

H ow ever, the first classical generation o f protective relays, supplied w ith currents and/or voltages from respective m easuring transform ers, w here based on electrom echanical principles, sim ilar to m easuring instrum ents used at that time. Thus, the follow ing relays were developed and introduced: electrom agnetic, induction, electrodynam ic etc. arm ature relays.

T his relay generation perform s only one sim ple function, i.e. the protection fu n c tio n . Many individual relays, for exam ple overcurrent, differential, distance relays w here separately m ounted on sw itchboards and perm anently w ired w ith the m easuring transform ers, circuit breakers and other elem ents o f the protected object (generator, transform er etc.). This ge­

neration reached th e top o f its stage o f developm ent in the period 1950-1960 [1], It has to be underlined how ever, that this generation o f protective devices is still in operation w ith good results, not only in Poland b u t also in W est E urope and USA.

The next step o f evolution is characterized by the application o f solid-state relays, also referred as analog static relays (second generation). W hile in the initial phase (i.e. in the sixties o f the 2 0lh century) these relays w here also separately m ounted, they afterwards where integrated into p ro te ctive sets, being a com bination o f several relays, usually rack-m ounted, dedicated to a given po w er system elem ent, e.g. pow er transform er, feeder, etc. Thanks to the use o f standardized m odules m any benefits w here achieved, e.g. easy fault-finding benefits and correction using pre-tested replacem ent m odules, consistent standard interfaces, simpli-

Ewolucja elektroenergetycznej autom atyki zabezpieczeniow ej 31

fled testing using u ser’s test equipm ent, higher perform ance, short operating tim es, lower pow er consum ption, m ore sophisticated operating characteristics (e.g. distance relays). It is how ever to em phasize that this technology, now adays w idely used in pow er systems o f va­

rious countries, has also functional constrains, since only protection tasks are realized.

The third generation o f protection systems, i.e. based on the digital (num erical) technique has been developed during the last tw enty years and is applied practically in the last decade.

In course the tim e a significant progress in the m icroprocessor technology and com m unication facilities has been reached, enabling the integration o f protective functions into com plete autom ation system s including m onitoring, control, m easurem ents and com m unication func­

tions. Thanks to this technique further im provem ents have been achieved in com parison with analogue protective sets, am ong them are: the com pact design and few hardw are units, m odular softw are, continuous self-m onitoring and diagnostics, adaptivity, local and remote control via serial com m unication ports, easy application o f new fault detection m ethods.