Tendinte noi in dezvoltarea sistemelor de protectie

Generalitati.

Dezvoltarea continua a sistemelor energetice insotita de necesitatea cresterii sigurantei in exploatare si a calitatii energiei electrice furnizate , precum si de asigurarea integritatii echipamentelor componente ale SE, impun sistemelor de protectie conditii din ce in ce mai severe.

In acelasi timp, dezvoltarea micro - si optoelectronicii in sensul cresterii capacitatii de memorare si prelucrare , a vitezei de lucru si de transmitere a datelor a condus la evolutii spectaculoase in domeniul protectiei sistemelor electrice.

Aceste afirmatii sunt sustinute de numarul important de lucrari stiintifice publicate in revistele de specialitate sau in volumele unor manifestari stiintifice de prestigiu. O analiza succinta a principalelor domenii de interes, care focalizeaza eforturile specialistilor, permite identificarea urmatoarelor directii de cercetare:

Elaborarea unor noi metode analitice de mare acuratete pentru principalele echipamente protejate (linii, generatoare si transformatoare) care sa permita simularea numerica a acestora in conditii cat mai apropiate de cele reale si care sa faca posibila testarea noilor tipuri de protectii realizate.

Elaborarea unor algoritmi pentru corectarea caracteristicilor transformatoarelor de curent si de tensiune, inclusiv pentru filtrarea componentelor fundamentale sau a unor armonici semnificative.

Dezvoltarea accentuata a sistemelor de protectie cu microprocesoare, o atentie deosebita fiind acordata protectiilor multifunctionale, protectiilor de distanta si diferentiale, precum si elaborarea unor algoritmi evoluati de prelucrare a semnalelor numerice.

Dintre performantele protectiilor, avute in vedere in sensul imbunatatirii acestora, se remarca rapiditatea, precizia realizarii caracteristicilor de actionare in functie de tipul defectului, conditiile producerii acestuia si configuratia sistemului precum si siguranta in functionare.

Dezvoltarea sistemelor de comunicatii in vederea conectarii protectiilor in sisteme de protectii, inclusiv prin utilizarea fibrei optice si a canalelor radio.

Cu adevarat remarcabila poate fi apreciata perseverenta cercetatorilor de a extinde suportul fundamental teoretic al protectiilor prin introducerea si utilizarea cu succes a unor noi instrumente de lucru cum sunt sistemele expert, adaptive, stochastice, cu predictia optimului, sistemele Fuzzy, analiza topologica precum si retelele Petri si retelele neuronale artificiale. Dintre acestea se detaseaza retelele neuronale artificiale care ofera posibilitati deosebite in dezvoltarea sistemelor de protectie. In cele ce urmeaza vor fi exemplificate cateva dintre aceste tendinte moderne in domeniul protectiilor.

Protectii numerice multifunctionale.

Evolutiile majore in tehnologia digitala, a sistemelor de afisare si a interfetelor, precum si posibilitatea elaborarii unor algoritmi specifici de procesare a datelor au permis integrarea mai multor functii de protectie intr-o singura structura numerica. Protectiile numerice ofera o serie de avantaje, dintre care mentionam:

Performante imbunatatite;

Flexibilitate mai mare;

Reducerea spatiului necesar instalarii;

Posibilitatea obtinerii unei diversitati de caracteristici mai bine adaptate echipamentelor protejate;

Posibilitatea memorarii evenimentelor si a inregistrarii marimilor de defect;

Comunicarea la distanta;

Autoverificarea si autocalibrarea continua.

In continuare sunt prezentate elementele de baza ale unei protectii numerice multifunctionale concepute pe arhitectura unui procesor dublu, unul dintre procesoare asigurand executarea algoritmilor de prelucrare a datelor, iar la al doilea - un procesor de utilitate generala, cu functii in realizarea logicii protectiei si in asigurarea comunicarii cu exteriorul.

Algoritmii prelucrarii semnalului numeric.

Calculul marimilor electrice - curenti si tensiuni - supravegheate in cadrul protectiei, se realizeaza cu ajutorul unor algoritmi de prelucrare a semnalului numeric pe baza carora se elaboreaza un set de programe soft de procesare digitala a semnalului. Pentru un generator sincron s-a considerat necesara supravegherea urmatoarelor marimi:

Cresterea/scaderea tensiunii.

Valoarea maxima a tensiunii, la cresterea acesteia.

Cresterea/scaderea frecventei.

Cresterea curentului (cu relee de curent numerice cu caracteristica independenta sau dependenta de timp).

Sensul de circulatie a puterii.

Cresterea componentei de secventa inversa a curentului.

Marimile de intrare in protectie, curenti si tensiuni sunt considerate marimi sinusoidale, dar afectate de componente continue (aperiodice) si de armonici superioare. Aceste marimi de intrare pot fi caracterizate prin valoarea medie, valoarea efectiva, valoarea maxima, valoarea efectiva si faza, precum si frecventa componentei fundamentale.

Calculul valorii efective.

Valoarea efectiva a unui semnal periodic x(t) de perioada 2π radiani este definita prin:

(1)

In forma discreta, valoarea efectiva X_k a semnalului esantionat se poate obtine cu relatia:

, (2)
unde x_-1, x_-2, , x_-N=0, iar numarul esantioanelor intr-o perioada corespunzatoare frecventei industriale este N (N=16, in acest exemplu).

Marimea X_k reprezinta valoarea efectiva a semnalului de intrare calculata pe baza ultimelor N esantioane (deci pe durata unei perioade), considerand unda fundamentala sinusoidala, componenta continua si armonicile superioare pana la ordinul n, unde n=(N/2)-1.

Relatia (2) poate fi scrisa, pentru a reduce calculele, intr-o forma recursiva:

, (3)
unde si .

Relatia (3) permite calculul valorii efective in momentul esantionului k in functie de valoarea efectiva in momentul anterior k - 1, adaugand valoarea ultimului esantion x_k si scazand valoarea esantionului obtinut cu o perioada in urma, adica x_k-N. Din (2) si (3) rezulta valoarea efectiva

(4)

Calculul valorii efective si a fazei componente fundamentale.

Unii dintre algoritmii care permit obtinerea valorii efective si a fazei componentei fundamentale a marimii de intrare se bazeaza pe transformata Fourier discreta (TFD). Algoritmul TFD realizeaza doua functii importante:

filtreaza componenta fundamentala de componenta continua si armonicile superioare;

permite calculul valorii efective si a fazei componentei fundamentale sub forma fazoriala.

Calcularea componentelor reala (x) si imaginara (y) a fazorului complex al marimii electrice este posibila folosind relatiile:

(5)
unde si N = 16 esantioane pe o perioada.

Din relatiile (5) se poate observa ca, pentru calculul direct al componentelor X_xk si X_yk sunt necesare 2N multiplicari ale fiecarui esantion. Relatiile de mai sus pot fi scrise si sub o forma recursiva pentru a simplifica calculele:

(6)
unde precum si X_x-1 , X_y-1 sunt toate zero.

Aceste relatii necesita numai doua multiplicari la fiecare esantion. In plus, relatiile (6) permit obtinerea unui fazor stationar, spre deosebire de relatiile (5) care conduc la un fazor in rotatie. Valoarea efectiva X_k si faza se pot determina cu relatiile:

(7)

Determinarea valorii maxime.

Valoarea maxima X_m a semnalului esantionat poate fi determinata cu

(8)
unde unde si N = 16.

Pe durata existentei unor conditii favorabile aparitiei ferorezonantei tensiunile sistemului pot atinge valori periculoase. Protectiile maximale de tensiune bazate pe supravegherea valorii efective a tensiunii pot realiza performante reduse datorita continutului ridicat de armonici superioare. In aceste conditii se recomanda supravegherea valorii maxime a tensiunii determinate conform relatiei (8).

Calculul frecventei.

Releele numerice de frecventa care se folosesc in prezent, determina frecventa prin masurarea duratei dintre doua treceri succesive prin zero a tensiunii sistemului. Precizia acestor relee este influentata nefavorabil de armonici superioare si zgomote care modifica momentele trecerilor prin zero sau determina treceri prin zero multiple. O posibilitate moderna de masurare digitala a frecventei se bazeaza pe calculul fazorului obtinut prin TFD. Aceasta metoda permite o masurare corecta a frecventei prin utilizarea fazorului tensiunii de secventa directa si elimina neajunsurile legate de influenta asupra tensiunii de faza in cadrul defectelor monofazate.

Fie U_R, U_S, U_T fazorii tensiune de faza obtinuti cu relatia (6); fazorul tensiunii de secventa directa se calculeaza cu relatia:

(9)
unde .

S-a aratat mai sus ca prin obtinerea relatiilor (6) este posibila obtinerea unui fazor rezultant stationar. In ipoteza ca frecventa semnalului de intrare se abate cu de la frecventa nominala f₀, faza fazorului tensiune de secventa directa in momentul k, poate fi exprimata prin:

(10)
de unde (11)

Rezulta ca modificarea fazei tensiunii de secventa directa este legata direct de . In relatia (11) frecventa se calculeaza o data la fiecare perioada (16 esantioane); algoritmul de calcul al frecventei este prezentat in fig. 1. Precizia de masurare este de cca. ±0,02 Hz pentru un domeniu al frecventei de la 47 la 53 Hz si poate fi imbunatatita prin cresterea timpului de masurare (cu consecinte asupra timpului de raspuns a releului).

Fig. 1. Algoritmul de calcul a frecventei.

Calculul puterii active si reactive.

Metodele de calcul a puterii active si reactive bazate pe determinarea fazelor la treceri prin zero sunt sensibile la forma de unda uneori deformata a curentului. Calcularea puterilor prin algoritmi bazati pe TDF, corespunzatori fazorilor undei fundamentale a curentului si tensiunii permit obtinerea unei insensibilitati la armonicile din marimile de intrare. Daca U si I sunt fazorii tensiunii si curentului, puterea aparenta S se calculeaza prin:

(12)
unde P este puterea activa si Q - puterea reactiva.

Puterea totala intr-un sistem trifazat se calculeaza ca suma puterilor de pe cele trei faze,

, (13)
sau printr-o relatie utilizata si in cadrul metodei celor doua wattmetre:

(14)

Factorul de putere poate fi de asemenea calculat pentru afisare:

(15)

Pentru utilizarea functiilor de protectie directionala, sensibila la sensul de circulatie al puterii, este suficient sa fie determinat semnul componentelor puterii in relatia (12) sau semnele componentelor puterii pe fiecare faza in relatia (13).

Calculul componentei de secventa inversa a curentului.

Prin supravegherea componentei de secventa inversa a curentului pot fi sesizate regimuri de functionare nesimetrica a generatoarelor, care provoaca incalzirea anormala a acestora.

Componenta de secventa inversa I₂ a curentului se poate calcula utilizand fazorii curent I_R, I_S, I_T, obtinuti cu TDF prin:

(16)
unde .

Realizarea caracteristicilor dependente de timp ale releelor de curent.

Protectiile de curent se pot realiza cu caracteristica timp de actionare - curent dependenta sau independenta. Caracteristica de dependenta t=f(I) a unui releu de curent de inductie poate fi exprimata prin:

, (17)
unde I este curentul exprimat ca un multiplu al curentului de pornire, K este valoarea reglata a elementului de temporizare, iar functia f determina gradul de dependenta t=f(I). In relatia (17) integrarea incepe in momentul t₀ cand valoarea curentului o depaseste pe cea de pornire, iar releul actioneaza in momentul in care valoarea integralei depaseste constanta K.

Relatia (17) poate fi pusa sub o forma numerica, considerand I_k valoarea esantionului k al curentului in multipli ai valorii de pornire si U₀ - valoarea initiala a integralei, la t₀:

. (18)

Daca presupunem ca releul actioneaza cand suma atinge valoarea de prag, K₀, atunci timpul de actionare t a releului, pentru o valoare constanta a curentului este dat de

(19)
unde T₀ = 5 ms este intervalul utilizat pentru integrare.

Pentru realizarea unui releu trifazat sunt necesare patru integratoare independente, trei pentru curentii de faza si unul pentru curentul homopolar.

Functia f(I_k) din relatia (18) poate fi aproximata printr-un polinom de ordinul doi, de forma

(20)
unde f' aproximeaza f iar A₀, A₁, A₂ sunt coeficienti polinomiali. Variabila in functia aproximativa este I² in locul lui I pentru a se elimina calcularea radacinii patrate.

Structura hardware a protectiei.

Schema bloc a protectiei multifunctionale este prezentata in fig.

Tensiunile si curentii secundari sunt aplicate transformatoarelor de curent si tensiune TC, TT. Marimile secundare sunt aplicate unui filtru trece jos (FTJ) cu comportare antialiasing (pentru cresterea preciziei in determinarea undei fundamentale, in prezenta armonicilor superioare si zgomotelor de frecvente peste jumatate din frecventa de esantionare). Semnalele analogice sunt transmise printr-un multiplexor analogic (MUX) unui amplificator cu amplificare programabila (AAP). Acest amplificator programabil este necesar datorita domeniului mare de reglare al valorilor curentului de pornire, pe de o parte, si valorii mai a curentului maxim pe care il poate primi releul, pe de alta parte. Sunt prevazute in plus trei canale pentru prelucrarea semnalelor de curenti mici de precizie ridicata.

Fig.     Schema bloc a protectiei multifunctionale.

Frecventa de esantionare este de 16 esantioane pentru o perioada corespunzatoare frecventei de 50 Hz, adica 800 Hz. Aceasta frecventa de esantionare ofera mai multe avantaje:

Masurarea mai precisa a valorii maxime a tensiunii pe durata unor fenomene de ferorezonanta;

Asigura o precizie ridicata in masurarea valorilor efective cand marimile electrice contin armonici superioare;

Necesita filtre antialiasing mai simple;

Inregistrarea marimilor de defect contine armonicile superioare si marimile proprii regimului de ferorezonanta;

Contribuie la imbunatatirea performantelor generale ale protectiei.

Semnalele analogice sunt esantionate si convertite in date digitizate si executa o varietate de algoritmi de prelucrare a datelor pentru a calcula valoarea marimilor de intrare. Valorile calculate sunt transferate unei memorii dublu port RAM. Aceasta asigura o legatura de comunicare rapida intre procesorul PSD si procesorul general (PG).

Procesorul general asigura functii logice si schimbul de informatii cu exteriorul. Contactele circuitelor de intrare ofera procesorului informatii privind starea acestor contacte, iar releele de iesire asigura functii de declansare si/sau semnalizare.

Interfata cu utilizatorul este constituita dintr-o tastatura si un display care permite modificarea marimilor de referinta si afisarea diferitelor marimi. Doua porti seriale I/O asigura utilizatorului posibilitatea comunicarii la distanta.

Programele software sunt stocate in memorii ROM, iar memoriile RAM sunt folosite pentru stocarea temporara a datelor. Marimile de referinta ale protectiei si coeficientii de calibrare sunt stocate    in memorii EEPROM.

Structura software a protectiei.

Programele software ale procesorului PSD s-au dezvoltat intr-un limbaj de ansamblu pentru a optimiza viteza de executie cu lungimea cuvantului. Procesorul PSD achizitioneaza esantioanele digitizate ale tensiunilor si curentilor (in total 11 marimi), calibreaza marimile offset cu referinta - masa a canalului si obtine erorile tuturor celor 11 canale folosind coeficienti calculati anterior (cu programe de autocalibrare) de la EEPROM. Esantioanele digitizate ale tensiunilor si curentilor sunt stocate intr-un buffer circular RAM pentru accesul prim soft-ul de inregistrare a curentului de defect la procesorul general.

Procesorul PSD calculeaza valorile efective, fazorii marimilor si valorile maxime si transfera rezultatele procesorului general la fiecare jumatate de perioada.

Pentru rezolvarea sarcinilor multiple care revin procesorului general (PG) s-a elaborat un set de rutine care fac posibila asigurarea tuturor functiilor; fiecarei functii i se aloca o secventa din timpul procesarii, coordonarea fiind asigurata de un ceas de tact. Acest mod de organizare asigura o executie cuasisimultana a tuturor functiilor.

Interfata utilizatorului contine toate rutinele necesare afisarii marimilor de intrare/iesire, referinte, informatii de stare. Functiile logice sunt realizate pe baza informatiilor disponibile in memorii RAM, stabilesc conditiile de declansare si sunt executate la fiecare jumatate de perioada. Marimile de referinta sunt memorate in RAM prin citirea si transferul rapid a valorilor stocate in EEPROM.