ЦИФРОВЫЕ ЦЕПИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Применение в релейной защите

Александр Бойко, инженер группы релейной защиты подстанционного оборудования ООО «Красноярская ГЭС Инжиниринг»
Юрий Ершов, к.т.н., заведующий кафедрой «Электрические системы и сети» Красноярского государственного технического университета
Ярослав Михайленко, ведущий специалист филиала ОАО «ФСК ЕЭС» – ТОиР МЭС Сибири, г. Красноярск

По принципу действия современные микропроцессорные защиты не требуют таких мощностей для срабатывания, как электромеханические реле, поэтому эту мощность нет необходимости передавать по многочисленным медным проводам большого сечения. Суть работы цепей тока и напряжения сводится к передаче информации о мгновенных значениях измеряемых величин. На рис. 1 схематично изображен принцип внедрения технологии передачи данных о мгновенном значении тока и напряжения в цифровом виде (для одной фазы).
В настоящее время подавляющее большинство микропроцессорных терминалов релейной защиты имеют только аналоговые входы цепей напряжения и тока, так как осуществляют цифроаналоговое преобразование (ЦАП) сами, при помощи встроенных преобразователей (рис. 1, а). Наличие у терминала защиты цифрового входа, работающего по определенному протоколу и интерфейсу, позволяет осуществлять ЦАП непосредственно в шкафу трансформатора тока или напряжения или же в шкафу выключателя, если он имеет встроенные трансформаторы тока (рис. 1, б).
С 1995 года группой, насчитывающей около 60 специалистов из 14 различных стран, ведется разработка стандарта связи для подстанций IEC 61850 (http://www.61850.com). Он позволяет объединить в одну информационную сеть всё технологическое оборудование подстанции – измерительные трансформаторы, различные датчики, коммутационные аппараты и др. Посредством такой сети осуществляется не только передача данных о мгновенном значении измеряемых величин с трансформаторов тока и напряжения до терминалов защиты. Также передаются сигналы управления, например, команды терминала защиты на отключение коммутационного аппарата. Усилия разработчиков направлены во многом на возможность поддержки оборудования широкого спектра производителей. В настоящее время в производстве находятся первые подстанции под управлением IEC 61850.
Подобная цифровая связь с трансформаторами тока и напряжения реализована в разработках DOCT и DOVT (Digital Optical Current Transformer – цифровой оптический трансформатор тока, Digital Optical Voltage Transformer – цифровой оптический трансформатор напряжения) компании ABB. DOCT представляет собой трансформатор тока с имеющимся в нем цифровым оптическим выходом. Петля Роговского измеряет ток в первичной цепи, затем измеренный ток блоком преобразователей преобразуется в цифровой вид и передается по оптоволоконному каналу на релейный щит. При этом блок преобразователей получает питание путем преобразования энергии интенсивного лазерного излучения (поступающего по отдельному оптоволоконному каналу) в электрическую энергию. Аналогичным образом устроен и DOVT.
Недостатком этих и похожих решений других компаний является закрытость технологий, а также слабые возможности интеграции и взаимодействия устройств различных производителей между собой.

СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

При использовании оборудования, изначально непредназначенного для такого рода коммуникаций, возникает необходимость осуществления цифроаналогового и/или аналогоцифрового преобразования (АЦП), в зависимости от того, какой из компонентов – терминал защиты или измерительный трансформатор имеет цифровые измерительные входы/выходы. Наименее удобный вариант получается при отсутствии цифровых входов/выходов с обеих сторон. В таком случае возникает необходимость осуществления двойного преобразования (рис. 2).
В этом случае возрастает стоимость и сложность проекта. Возникнет вопрос о достаточности скорости цифроаналогового и аналогоцифрового преобразований для удовлетворения одного из требований, предъявляемых к релейной защите, – быстродействия.
На рис. 3 представлена структурная схема преобразования и передачи аналоговых сигналов путем использования активного коммутирующего сетевого оборудования и специализированного контроллера. Схема укрупнена и упрощена для наглядности и показывает связи для одного из присоединений. Со стороны ОРУ в качестве контроллеров для преобразования сигналов предлагается использовать устройства, поддерживающие ОСРВ (операционная система реального времени), имеющие встроенные быстродействующие сетевые Ethernetконтроллеры и шестиканальные АЦП (по два канала на каждую фазу, один из которых включен на положительную полуволну, второй – на отрицательную). Со стороны релейного щита при двойном преобразовании следует использовать аналогичные контроллеры, имеющие шестиканальные ЦАП для преобразования цифровых сигналов в аналоговые, понятные терминалам релейной защиты. При помощи дополнительных усилителей на выходе ЦАП должен быть откорректирован уровень полученного аналогового сигнала. Частота дискретизации и разрядность ЦАП и АЦП должна быть достаточной для осуществления терминалами защиты корректного осциллографирования и измерения угловых параметров режима.
Данная схема предполагает использование соединения по кабелю типа «витая пара» категории 5e и выше и рассчитана на использование активного коммутирующего оборудования (например, Cisco Systems или Huawei Technologies). Недостатком такого варианта реализации является необходимость установки (при большой протяженности сети) дополнительных коммутаторов через каждые 100 м. При необходимости витую пару и коммутаторы можно заменить на ВОЛС (волоконнооптическую линию связи) путем установки специализированных конверторов «Ethernet – оптоволокно» и прокладки оптоволоконного кабеля вместо витой пары.
На рис. 4 представлена упрощенная схема коммутации для трансформаторов тока присоединений. На ней изображен дополнительный резервный канал, который может быть реализован в целях повышения надежности и безотказности системы.

Описываемое техническое решение будет применимо прежде всего при проектировании новых подстанций и в меньшей степени эффективно при реконструкции старых. Более затратным данное решение будет применительно к подстанциям с малым числом присоединений (меньше 4–5) или с номинальным напряжением распределительного устройства меньше 110 кВ ввиду малой отдаленности относительно друг друга компонентов подстанции.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

• замыкание токовых цепей в схеме аналоговоцифрового преобразователя, находящегося в непосредственной близости к трансформатору тока, позволит избавиться от возрастания магнитного потока в магнитопроводе и повышения напряжения на вторичной стороне трансформатора тока при случайном размыкании цепей тока в результате аварии или при неправильных действиях персонала. Такое преимущество позволит, кроме того, избежать повреждений в случае замыкания вторичных цепей трансформатора напряжения;
• организация двух или более дублирующих друг друга цифровых каналов или построение сети по кольцевой схеме позволит осуществлять резервирование в случае обрыва цепей тока или напряжения;
• cтоимость кабеля, которым на физическом уровне будет выполнена сеть, снизится приблизительно в 2 раза относительно классического медного кабеля традиционных цепей тока и напряжения;
• упрощается процесс монтажа токовых цепей и цепей напряжения, процесс отыскания неисправности, а также процесс добавления или замены коммутационных аппаратов, измерительных трансформаторов, терминалов защиты.

Рис. 1. Принцип перехода на цифровые цепи напряжения и тока

а)



б)



Рис. 2. Двойное преобразование



Рис. 3. Структурная схема преобразования



Рис. 4. Схема коммутации (с резервным каналом)

ВЫВОДЫ

Данное современное решение имеет весомые преимущества перед классическим способом организации измерительных цепей релейной защиты. В схеме применяется резервирование, что обеспечивает ее безотказную работу. Наличие активного сетевого оборудования позволяет расширить возможности системы, вплоть до включения ее в общую корпоративную технологическую сеть передачи данных. Массовая организация новых подстанций либо реконструкция старых подобным образом со временем позволит снизить стоимость проектов.