Программно-аппаратные комплексы исследования средств релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем

Одной из основных тенденций развития в области электроэнергетики в настоящее время является автоматизация электроэнергетического комплекса с применением микропроцессорных средств управления, защиты и диагностики состояния электроэнергетического оборудования. Непрерывно растущие функциональные возможности и совершенствование элементной базы микропроцессорных средств управления определяют новые подходы к их принципам построения и алгоритмам работы. Так, увеличение вычислительной мощности и совершенствование средств передачи информации применяемых контроллеров и микроконтроллеров в совокупности с ростом процента оснащения объектов электроэнергетики микропроцессорными средствами управления определило новый этап развития систем электроснабжения — переход к интеллектуальным электрическим сетям SmartGrid.

Интеллектуальные электрические сети характеризуются не только применением современной элементной базы, но и глобальным изменением принципов построения систем управления. В частности, наметилась определенная тенденция перехода к централизованным комплексам микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики (РЗА); перехода на цифровые электростанции и подстанции, в основу которых положен принцип передачи сигналов между первичными измерительными преобразователями (интеллектуальными трансформаторами тока и напряжения), исполнительными элементами (выключателями с электронным управлением), средствами релейной защиты и автоматики, приборами учета электрической энергии и т. п. только в цифровой форме.

Данные изменения в электроэнергетической отрасли в целом требуют, в свою очередь, как соответствующей подготовки будущих специалистов электроэнергетического профиля, так и переподготовки или повышения квалификации существующего инженерного персонала. С другой стороны, многие принципы построения современных комплексов релейной защиты и автоматики основаны на существующих (и успешно эксплуатируемых в настоящее время) устройствах защиты и управления, выполненных на базе релейно-контактных схем, в состав которых входят специализированные электромагнитные и полупроводниковые реле тока, напряжения, мощности, сопротивления и т. д. Этим при подготовке специалистов-энергетиков обусловлена необходимость изучения систем РЗА, выполненных на различной элементной базе — от простейших электромагнитных полупроводниковых реле до современных микропроцессорных защит.

В рамках развития лабораторной и научно-исследовательской базы Южно-Уральского государственного университета, научно-производственным предприятием «Учтех-Профи» (Челябинск) разработаны и успешно применяются специализированные программно-аппаратные комплексы, предназначенные как для подготовки будущих специалистов, так и для выполнения научно-исследовательских работ студентов, магистров и аспирантов, проведения курсов повышения квалификации и переподготовки кадров.

Общие принципы построения и основные типы программно-аппаратных комплексов

Программно-аппаратные комплексы выполнены в виде лабораторных стендов, включающих физические и математические модели электроэнергетического оборудования, систем управления, релейной защиты и автоматики. Лабораторные стенды также включают специализированное программное обеспечение и технические средства ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов.

Программно-аппаратный комплекс «Релейная защита»

ПАК «Релейная защита» обеспечивает возможность изучения принципов действия, методик настройки и снятия характеристик реле различного типа, выполненных на полупроводниковой элементной базе. Комплекс содержит набор физических реле, в частности реле тока, реле напряжения, реле времени, реле направления мощности, а также модели реле тока с ограниченно-зависимой выдержкой времени, дифференциального реле и реле сопротивления (рис. 1). Испытание реле осуществляется с помощью регулируемых источников тока и напряжения, управляемых в ручном и/или автоматическом режиме через специализированное программное обеспечение.

Рис. 1. Программно-аппаратный комплекс «Релейная защита»

Комплекс позволяет исследовать работу и методики расчета уставок релейно-контактных схем основных видов защит, таких как токовая отсечка, максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени, максимальная токовая защита с ограниченно-зависимой выдержкой времени, токовая направленная защита, дифференциальная и дистанционная защита.

Программно-аппаратный комплекс «Модель электрической системы с релейной защитой и автоматикой»

Комплекс представляет собой физическую трехфазную модель электроэнергетической системы, включающую модели линий электропередачи, силовых трансформаторов, синхронного генератора, выключателей, трехфазной сети, полупроводниковые реле тока, напряжения, времени, направления мощности, реле тока с зависимой выдержкой времени, дифференциального реле и реле сопротивления (рис. 2).

Рис. 2. Программно-аппаратный комплекс «Модель электрической системы с релейной защитой и автоматикой»

Комплекс позволяет изучить принципы действия и настройки устройств релейной защиты и автоматики, моделировать работу и создавать алгоритмы микропроцессорных устройств автоматического управления и защиты, изучить типовые релейно-контактные схемы устройств релейной защиты, исследовать методы настройки, поверки и определения характеристик полупроводниковых реле различного типа. Устройства релейной защиты и автоматики реализованы как в виде виртуальных защит, так и в виде физических релейно-контактных схем.

Программно-аппаратный комплекс «Автоматизация электроэнергетических систем»

ПАК позволяет исследовать принципы действия, методы расчета уставок и проверки селективности действия устройств релейной защиты и автоматики, применяемых в электроэнергетических системах. Для этого стенд содержит физическую модель системы электроснабжения и информационно-управляющий комплекс (на базе персонального компьютера), включающий датчики тока и напряжения, устройство ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов и реализующий функции типовых устройств релейной защиты и автоматики (рис. 3).

Рис. 3. Программно-аппаратный комплекс «Автоматизация электроэнергетических систем»

Математические модели устройств релейной защиты и автоматики представлены как в виде набора виртуальных устройств РЗА с типовыми параметрами и уставками, так и в виде свободно программируемых виртуальных устройств, алгоритм работы которых задается в графическом виде по стандарту МЭК 61131/3 [1, 2]. Ввод входных электрических сигналов измерений и формирование выходных электрических сигналов управления осуществляется с помощью специализированной платы ввода/вывода и программного обеспечения DeltaProfi.

Программно-аппаратный комплекс «Интеллектуальные электрические сети»

Комплекс позволяет качественно моделировать режимы работы электроэнергетической системы, включающей трехфазные физические модели линий электропередачи, трансформаторов и синхронных генераторов (рис. 4). Комплекс реализует множество основных признаков современных интеллектуальных электрических сетей, а именно: наличие централизованных и децентрализованных комплексов автоматического управления, развитые средства телеметрии, телесигнализации и дистанционного управления, использование беспроводных каналов передачи информации в цифровом виде, насыщенность системы датчиками и преобразователями сигналов.

Рис. 4. Программно-аппаратный комплекс «Интеллектуальные электрические сети»

Программно-аппаратный комплекс «Модель цифровой подстанции»

Комплекс выполнен на базе лабораторного стенда «Основы релейной защиты и автоматики. Исполнение настольное, ручное» (рис. 5) и содержит физическую трехфазную модель двухтрансформаторной подстанции, снабженную цифровыми средствами релейной защиты и автоматики, учета электрической энергии, цифровыми датчиками тока и напряжения, исполнительными элементами в виде моделей трехфазных выключателей с цифровым управлением и обеспечивает моделирование нормальных и аварийных режимов работы. Основной особенностью стенда является передача сигналов между первичными датчиками тока и напряжения, средствами релейной защиты и автоматики, приборами учета электрической энергии и исполнительными устройствами (выключателями) в цифровой форме.

Рис. 5. Лабораторный стенд «Основы релейной защиты и автоматики. Исполнение настольное, ручное»

Заключение

Возможности программно-аппаратной части данных лабораторных комплексов не ограничиваются освоением базовых разделов электротехнических дисциплин, предусмотренных рабочей программой и учебными планами, и позволяют совершенствовать существующие системы релейной защиты и автоматики за счет разработки и исследования новых принципов работы и алгоритмов управления электроэнергетическими объектами.