Отличительные особенности цифровых защит

Особенности обработки информации в цифровых реле. Цифровые реле обладают всеми достоинствами, достигнутыми электронными реле с аналоговыми принципами обработки информации. Это:

- более близкий к единице коэффициент возврата измерительных органов (0,96¸0,97 вместо 0,8¸0,85 у механических реле), что является результатом перехода от механических узлов сравнения к электронным узлам, нечувствительным к механическим ударам и вибрации;

- малое потребление мощности от трансформаторов тока и напряжения (на уровне 0,1¸0,5 В×А вместо 10¸30 В×А у электромеханических реле) вследствие использования их исключительно как датчиков информации. Правда, при этом электронным реле требуется надежный источник питания. Практически, независимо от числа реализуемых функций, цифровое устройство защиты потребляет от сети оперативного тока мощность порядка 15¸20 Вт.

Однако некоторые характеристики цифровых реле остались на том же уровне, как у их аналоговых (электромеханических и электронных) прототипов.

Собственное время срабатывания цифровых реле. Собственное время срабатывания измерительных органов цифровых реле осталось таким же, как у их электромеханических аналогов. Это можно объяснить тем, что для определения интегральных параметров контролируемых токов и напряжений (действующих значений, фазовых сдвигов) требуется некоторое время. Так, согласно определению, действующее (эффективное) значение периодической временной функции x (t)находится по выражению:

Х _э =

Как видно, расчёт действующего значения сигнала связан с вычислением интеграла в пределах периода изменения контролируемого сигнала. А это значит, что в реальном времени результат вычислений этого интеграла может быть получен только после наблюдения за контролируемым сигналом x (t)в течение отрезка времени, равного периоду Т. При этом не принципиально, будет ли использоваться численный метод интегрирования или аналоговое интегрирующее звено.

Цифровые реле, как и их аналоговые прототипы, в принципе могут формировать сигнал срабатывания и через более короткий отрезок времени, чем период Т,если значение контролируемой величины заведомо превышает уставку. Это легко сделать, так как численное интегрирование представляет собой подсчет суммы приращений:

где х (t) – значение подынтегральной функции в узловых точках х (t _i), взятых на интервале интегрирования;

D t – отстояние друг от друга во времени узловых точек функции.

Безусловно, вычисление суммы можно приостановить по достижении наперед заданного значения. Однако при значениях контролируемой величины, соизмеримых с уставкой, время наблюдения будет стремиться к Т.

Кажется, что в условиях, когда входной сигнал представляется только одной гармоникой, на вычисление действующего значения можно тратить меньше времени, так как амплитуда синусоиды и ее действующее значение могут быть вычислены после замера нескольких мгновенных значений. Однако в реальных сигналах всегда наряду с интересуемой гармоникой присутствуют другие гармоники и апериодические составляющие. Выделение же из сложного сигнала интересующей гармоники требует времени.

В общем случае, сказанное не распространяется на реле, в которых не используется определение интегральных параметров сигнала. Например, в дифференциальной токовой защите теоретически можно производить сравнение мгновенных значений токов в ветвях защищаемой схемы. Однако реально и в дифференциальных реле приходится сталкиваться с вопросами фильтрации. Фильтрация требуется и для подавления помех в рабочих токах, и при формировании блокирующих воздействий. Например, в дифференциальной защите трансформатора при бросках тока намагничивания, обнаруживаемых по факту появления второй гармоники в дифференциальном токе.

Фильтрация сигналов в цифровых реле. Если контролируемый сигнал периодический и существует достаточно длительное время, то для выделения основной гармоники (или любой другой) можно воспользоваться теорией гармонического анализа. Для этого широко применяется программа быстрого преобразования Фурье.

Численный способ гармонического анализа применяется в том случае, когда функция x (t)известна на промежутке 0 < t ≤ Т только в дискретной системе точек t _n = nT / N, n = 0, 1,... N -1. Цифровой фильтр работает с последовательностью из N выборок Х _вх(n Δ t), взятых с интервалом Δ t из входного сигнала. На выходе фильтра в результате определенных операций возникает последовательность чисел Х _вых(n Δ t). Идеальный цифровой фильтр должен оперировать с бесконечным числом выборок из входного сигнала, предшествующих моменту вычисления очередной дискреты его выходного сигнала. Реальное цифровое устройство может работать лишь с конечным числом выборок N. Ассоциируя число используемых выборок с неким временным окном наблюдения за входным сигналом, можно отметить, что в первые моменты времени после скачкообразного изменения входного сигнала, например тока в результате КЗ, вычислительное устройство некоторое время будет формировать «неправильный» выходной сигнал. Точность вычислений будет тем выше, чем больше выборок находится в окне наблюдения.

Цифровые фильтры имеют ряд преимуществ. Основные из них – надежность работы и стабильность характеристик, недостижимые в аналоговых фильтрах. Однако многие практические вопросы можно рассматривать с позиций аналоговых фильтров. Так же как и аналоговые фильтры, цифровые имеют противоречие в части точности выделения нужной гармоники из сложного сигнала и времени, затрачиваемого на фильтрацию. Для того чтобы отстроиться от апериодических составляющих, высших гармоник и помех, амплитудно-частотная характеристика входного тракта реле должна быть подобна характеристике полосового фильтра, т. е. характеризоваться частотой пропускания сигнала.

Сужение полосы пропускания улучшает помехозащищенность реле, так как большинство помех являются импульсными сигналами (грозовые разряды, коммутационные перенапряжения и т. д.). При этом, чем уже полоса пропускания входного тракта реле, тем меньшая доля энергии помехи будет добавляться к рабочему сигналу. Однако слишком узкополосный входной тракт реле приводит к неприемлемому снижению быстродействия реле. Поэтому с целью повышения быстродействия защиты, приходится идти на компромисс.

Работа реле при насыщении трансформатора тока. Цифровые принципы обработки сигналов эффективно применяются и для обеспечения правильной работы реле при насыщении измерительных трансформаторов тока. Очевидно, что вторичный ток насыщенного трансформатора (жирная линия на рис. 1.5, а) существенно отличается от его идеального значения (пунктир). Однако известно и то, что даже в случае глубокого насыщения ТТ в отдельные моменты времени трансформация осуществляется правильно (участки совпадения линий на рис. 1.5, а).

Этим обстоятельством можно воспользоваться для определения правильного амплитудного или действующего значение искаженного сигнала вторичного тока. Для этого необходимо измерить мгновенные значения тока на отрезках правильной трансформации, вычислить его амплитудное и действующее значение, предполагая, что закон его изменения известен i (t ₁) = I _m sin(w t ₁+j), i (t ₂) = I’ _m sin(w t ₂+j). Безусловно, реальный алгоритм восстановления искаженного вторичного тока при насыщении трансформатора гораздо сложнее.

Решение задачи восстановления токов требуется, например, в защитах от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, где высока вероятность попадания трансформатора тока нулевой последовательности в режим глубокого насыщения. Принцип экстраполяции необходим и для правильного восстановления фаз сигналов. На рис. 1.5,б продемонстрировано, что выделение основной гармоники из искаженного сигнала путем частотной фильтрации приведет к большой погрешности в определении ее и амплитуды и фазы. Однако и в этом случае точность работы цифровых защит будет выше, чем у аналоговых.

Рис. 1.5. Насыщение трансформаторов тока

Самоконтроль и диагностика. Одной из особенностей цифровых устройств является относительная простота организации контроля исправности аппаратной части и программного обеспечения. Этому благоприятствует циклический режим работы микропроцессора по заложенной программе. Отдельные фрагменты этой программы и выполняют самотестирование устройства защиты. В арсенале разработчиков цифровой аппаратуры имеется целый набор типовых решений в части тестирования. В цифровых реле при самоконтроле часто используются следующие приемы:

- неисправность тракта аналого-цифрового преобразования с большой глубиной охвата входящих в него узлов обнаруживается путем периодического считывания опорного (неизменного во времени) напряжения. Если компьютер обнаруживает расхождение между последним и ранее полученным результатом, то он формирует сигнал неисправности;

- исправность памяти оперативного запоминающего устройства проверяют, записывая в ячейки заранее известные числа и сравнивая результаты, получаемые при последующем считывании;

- рабочая программа, хранимая в ПЗУ, периодически рассматривается компьютером как набор числовых кодов. Компьютер выполняет их формальное суммирование, а результат сравнивает с контрольной суммой, хранимой в заранее известной ячейке;

- целостность обмоток выходных реле проверяется при кратковременной подаче на них напряжения и контроле обтекания их током;

- периодически выполняется самотестирование компьютера, измеряются параметры блока питания и других важнейших узлов устройства;

- на случай выхода из строя самого компьютера, осуществляющего самоконтроль, в цифровых устройствах предусматривается специальный сторожевой таймер «watch dog». Это несложный и очень надежный узел. В нормальном режиме микропроцессор посылает в этот узел импульсы с заданным периодом следования. С приходом очередного импульса сторожевой таймер начинает отсчет времени. Если за отведенное время от микропроцессора не придет очередной импульс, который сбрасывает таймер в исходное состояние, то таймер воздействует на вход возврата микропроцессора в исходное состояние. Это вызывает перезапуск управляющей программы. При неисправности микропроцессор «зависает», устойчиво формируя 0 или 1. Это обнаруживает сторожевой таймер и формирует сигнал тревоги. При необходимости блокируются наиболее ответственные узлы устройства защиты.

Безусловно, тестирование не может обеспечить полное выявление внутренних дефектов изделия. Глубина тестирования целиком находится в компетенции разработчика. Реально тестированием удается охватить порядка 70¸80% всех элементов изделия.

Помехозащищённость цифровых защит. Помехозащищённость – это способность аппаратуры правильно функционировать в условиях электромагнитных помех. Необходимая помехозащищённость обеспечивается только при комплексном решении ряда вопросов:

- обеспечения должного превышения уровней информационных сигналов над уровнем помех; для этого в энергетике используются сигналы с номинальными уровнями 1 А и более, 100 В и выше;

- правильной прокладкой линий связи датчиков информации с устройствами защиты, а при необходимости – защитой линий связи от действия помех и подавлением самих помех;

- правильным конструированием аппаратной части устройств РЗА.

Если решение последнего вопроса целиком находится в ведении разработчиков аппаратуры, то вопросы защиты каналов связи от помех должны решаться на стадии проектирования и в ходе эксплуатации систем защиты.