Автоматизированный анализ аварийных ситуаций энергосистем - Средства регистрации аналоговых сигналов

ГЛАВА 3
Средства регистрации аналоговых сигналов и их возможности

ЦИФРОВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Наиболее совершенным средством регистрации для анализа аварийных ситуаций, как уже отмечалось, является цифровой осциллограф. Основные особенности и принципы построения ЦО приведены в [7] С точки зрения данной задачи все ЦО делятся на две группы: сетевые ЦО (СЦО); централизованные ЦО (ЦЦО).
Сетевые ЦО выполняются на базе отдельных регистрационных или аналоговых сигналов, связанных в локальную сеть. Каждый дискретный регистратор обычно фиксирует от 16 до 32 сигналов, аналоговый от 8 до 16 сигналов.
Локальная сеть связывает отдельные регистраторы с сервером, который обеспечивает управление, связь с вышестоящим уровнем и может быть использован в качестве рабочего терминала для обработки и отображения информации. Как в любой сети, дополнительно используются ретрансляторы (удлинители связей), коммутаторы и т.д. В системе обеспечиваются синхронизация всех регистраторов. Такая конфигурация позволяет приблизить регистраторы к источникам информации (панелям РЗА) и подключить их к тем же цепям трансформаторов тока, что и сами защиты. Благодаря малому потреблению и гальванической развязке аналоговые входы не оказывают влияния на функционирование РЗА.
Централизованные ЦО являются современными аналогами оптомеханических осциллографов. Они выполняются в виде панели (шкафа, стойки, блока), к которому подводятся все регистрируемые сигналы. Как правило, ЦЦО регистрируют 32 — 128 дискретных и 16 — 64 аналоговых сигнала. Увеличение числа входных сигналов ограничивается возможностями клеммных соединителей. При необходимости увеличения числа сигналов, используют несколько ЦЦО. В этом случае для задачи анализа необходимо:
передать информацию от ЦЦО в обрабатывающую ЭВМ; синхронизировать данные всех взаимодействующих ЦЦО.
Эти вопросы требуют либо создания локальной сети на базе ЦЦО, либо переноса информации с помощью дискеты, что увеличивает время сбора информации.
Такое деление обусловлено тем, что CЦO позволяют синхронно регистрировать большое количество аналоговых и дискретных сигналов и использовать сервер осциллографа (обычно на базе ПЭВМ) в качестве анализатора аварийных ситуаций. При этом информация от СЦО и программное обеспечение задачи анализа аварийных ситуаций (ААС) находятся водной ПЭВМ, что значительно ускоряет и облегчает решение.
Аналоговые сигналы промышленной частоты обычно регистрируются с дискретностью от 12 до 32 отсчетов на период. Подобное количество отсчетов теоретически позволяет воспроизвести частоты до 1600 Гц. Такой диапазон необходим для достаточно точного воспроизведения осциллограммы. Точность представления аналоговых сигналов по амплитуде определяется разрядностью аналого-цифрового преобразования. Для записи предаварийного режима обычно требуется точность как у щитовых приборов (т.е. 2,5 % вблизи номинальных значений). Если принять, что для рабочего режима достаточно обеспечить такую точность в диапазоне от 0,1Аном до 1,5АОМ (Аном — номинальное значение параметра), то кратность составит 15. Если на нижнем пределе обеспечить точность 2,5 %, то необходимо различать 40 уровней для 0,1/1ном, и 600 уровней для 1,5Аном. Это соответствует разрядности АЦП 9—10 для представления замеров нормального режима. В технических требованиях указывается кратность входных сигналов, как Атах/Аном. Для токовых цепей она составляет 100 — 200, что приводит к увеличению разрядности еще на 6 — 7 разрядов. Весь диапазон перекрывается числами с 15-17-ю разрядами (обычно
двухбайтное представление целого числа). Часто производители вводят свое понятие точности, кратности и других характеристик. Любое определение должно позволять произвести расчет эффективной разрядности. Под эффективной разрядностью не всегда понимается разрядность АЦП. В некоторых устройствах регистрации используются входные операционные усилители (ОУ) с программно изменяемым коэффициентом усиления. Если втаком устройстве коэффициент преобразования ОУ изменяется в 10 раз, это увеличивает эффективную разрядность на log2IO = 3,35 разрядов.
Запись одной аналоговой осциллограммы длительностью t требует в памяти NKt|Tбайт, где Т — период частоты 50 Ец (0,02 с); N— число отсчетов на период; К — число байт на один отсчет.
При Т= 15, N— 12, К = 2 осциллограмма занимает около 17,6 Кбайт.
Алгоритмы сжатия информации могут уменьшить этот объем, но при этом возрастают требования к быстродействию процессорной части (в ряде случаев теряется часть полезной информации).
Для любых ЦО обязательно должен быть известен формат данных и доступ к ним внешних программ. В настоящее время в качестве универсального формата для внешних по отношению к ЦО программ используется COMTRADE.
Таблица 3.1. Основные параметры ЦО

При использовании любых типов ЦО для ААС встает проблема синхронизации. При решении задачи анализа функционирования защит, прежде всего высокочастотных, необходимо вычисление фазовых соотношений сигналов по концам ЛЭП. Если допустить погрешность по фазе 10°, то потребуется синхронизация с точностью около 0,5 мс.
Решение этой задачи должно осуществляться с использованием системы точного времени. В качестве такой системы может использоваться российская спутниковая система GLONASS [7] или синхронизация по радиотрансляционным сигналам точного времени, для чего выпускаются специальные платы для ПЭВМ. Основные параметры ЦО приведены в табл. 3.1.

УСТРОЙСТВА, РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ В КАЧЕСТВЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ФУНКЦИИ

К таким устройствам в первую очередь относятся: микропроцессорные устройства РЗА. микропроцессорные фиксирующие приборы.
Таблица 3.2. Электрические величины, фиксируемые различными устройствами РЗА

В настоящее время на российских объектах появляется большое количество микропроцессорных терминалов, которые выполняют функции РЗА на присоединениях 6-35 кВ. К ним относятся SPAC (АББ Реле - Чебоксары), БМРЗ (“Механотроника”, г. С.-Петербург), “Импульс” (НПО “Радиус”, г. Москва), Siemens, GEC ALSTHOM и устройства некоторых других отечественных и зарубежных фирм. Все эти устройства могут интегрироваться в систему АСУ ТП. Как отмечалось выше, SPAC-801, REL интегрируются в систему SPACOM с использованием последовательного интерфейса SPA BUS (протокол фирмы АВВ). Устройство запоминает и передает максимальное значение нагрузочного тока за последние 15 мин. В режиме КЗ запоминаются токи трех фаз, ток нулевой последовательности и разность фазных токов. Запоминаются длительности запусков всех степеней. В памяти эта информация хранится для пяти последних аварий. В устройствах БМРЗ и “Импульс” предусмотрена функция осциллографирования, причем в отличие oт SPAC эти устройства подключаются и к цепям напряжения.
Для определения расстояния до места КЗ на ЛЭП 6 - 35 кВ выпускается микропроцессорный фиксирующий прибор МИР-2, который по последовательному каналу может передавать информацию о векторах токов и напряжений аналогично прибору МИР-1 (см. ниже).
Для ЛЭП 110, 220 кВ источниками аналоговой информации могут служить устройства типа REL и другие (АББ Реле-Чебоксары), имеющие функцию осциллографирования с записью 0,5 с предаварийного режима, и микропроцессорные фиксирующие приборы МФП типа МФИ-1 МИР-1, ФПМ-01, ИМФ-3М [31.
Все фиксирующие приборы имеют последовательный интерфейс, по которому передаются проекции векторов токов и напряжений ЛЭП прямой, обратной и нулевой последовательностей и проекции вектора нулевой последовательности параллельной ЛЭП. Все векторы строятся методом цифровой обработки сигналов длительностью два периода промышленной частоты. Эти два периода фиксируются через 30 — 80 мс после пуска для исключения влияния переходного процесса. Величины, фиксируемые рассмотренными устройствами, сведены в табл. 3.2.
Так как для анализа функционирования защит нужны осциллограммы, а их формируют только устройства типа REL, БМРЗ, “Импульс”, встает вопрос о получении осциллограмм по информации от фиксирующих приборов. Принципиально такие осциллограммы получить несложно, так как ниже будет показано, что любая осциллограмма от ЦО для моделирования представляется последовательностью векторов. В этом смысле показания МФП — уже есть набор необходимых для данной ЛЭП векторов. Однако необходимо учитывать две особенности:
для получения последовательности длиной более двух периодов (например для анализа функционирования резервных защит) приходится предполагать, что электрические величины не изменяются во времени;
отсутствует информация о предаварийном режиме.
Предположение о неизменности параметров сети во времени должен проанализировать персонал. Чаще всего это предположение не выполняется, если на объекте есть опережающее отключение (как правило на крупных ГРЭС), делительная автоматика, которая может действовать с временами, меньшими времени действия резервных защит ЛЭП и т.д. На подстанциях систем с высшим напряжением 110, 220 кВ предположение о стабильности электрических величин, как правило, выполняется.
Вопрос о предаварийном режиме может быть частично решен, если МФП объединены в систему сбора информации [3]. Все МФП допускают программные пуски по последовательному каналу. Если переток по ЛЭП достаточно медленно изменяется во времени, то возможно периодически (например, 1 раз в 0,5 — 1 ч) программно запускать приборы и фиксировать их показания. Более частые пуски нежелательны, так как могут привести к отказу выполнения функции ОМП. После каждого пуска прибор затрачивает около 10 с на обработку и передачу информации. В это время он не отслеживает условия нового пуска. При опросах 1 раз в 0,5 и 1 ч вероятность пропуска режима КЗ составляет соответственно 0,55; 0,28 %. Если условие относительного постоянства нагрузочного режима не выполняется, то при использовании информации от МФП приходится вводить предположения о предшествующем режиме (например 1=0, и= инои).
В заключение необходимо отметить, что информация, получаемая косвенным путем, снижает достоверность анализа (особенно при действии резервных защит и основных защит с выдержками времени), но при отсутствии других средств регистрации аналоговой информации, ею приходится пользоваться. Оценка достоверности информации в этом случае ложится на персонал.