Микропроцессорные реле защиты Новые перспективы или новые проблемы? Владимир Гуревич, к. т. н., Israel Electric Corporation г. Хайфа, Израиль

Микропроцессорные устройства релейной защиты являются весьма сложными устройствами со специфическим принципом действия, не имеющим ничего общего с обычными (традиционными) реле защиты. В связи с этим возникает вопрос о том, насколько вообще микропроцессорное реле является собственно реле.

Микропроцессорное реле – это самый настоящий компьютер на основе процессора фирмы Intel или AMD (рис. 1), содержащий дополнительно плату с входными трансформаторами тока и напряжения (рис. 2), согласованными по параметрам с внешними трансформаторами тока и напряжения, а также плату с набором миниатюрных выходных электромагнитных реле.

Записанная в специальный чип (так называемый «software-key», фактически это постоянное запоминающее устройство – ПЗУ) программа позволяет обрабатывать входные сигналы таким образом, чтобы смоделировать действие того или иного вида защитного реле. Заменив один такой чип на главной плате на другой, можно получить реле любого типа. То есть микропроцессорное реле является всего лишь виртуальным, а не настоящим реле.

Можно возразить, что многие из имеющихся на рынке устройств защиты на самом деле являются узкоспециализированными устройствами, предназначенными для выполнения строго определенного и весьма ограниченного набора функций, присущих только реле конкретного вида. Да и называются такие устройства как конкретный вид реле, например «реле частоты». Программирование такого реле сводится в основном к записи в его память требуемых порогов срабатывания, временных интервалов, выбора того или иного типа рабочей характеристики из некоторых возможных. Но и в этом случае ограничения на выполняемые функции накладываются вовсе не микропроцессором, которому совершенно всё равно, какие сигналы обрабатывать, а ПЗУ, в котором записана программа работы этого микропроцессора, и количеством входных и выходных каналов.

Если использовать в устройствах, выполняющих функции реле защиты, не ПЗУ с программой, записанной производителем, a СППЗУ – стираемое программируемое запоминающее устройство или ЭСППЗУ – электрически стираемое программируемое запоминающее устройство, и портативный программатор, позволящий записать в память любой алгоритм действия микропроцессора, то вместо реле частоты получим некое универсальное устройство защиты.

При этом оно практически ничем не будет отличаться от широко применяемых сегодня универсальных микропроцессоров с цифровыми и аналоговыми входами, например таких, как Modiсon, Siemens 7S-200, и многих других. Каждое такое устройство может иметь десятки входных модулей для преобразования входных сигналов в двоичный или шестнадцатиричный цифровой код, сотни виртуальных таймеров разных видов, компараторов, счетчиков с различной конфигурацией, разных типов триггеров, одновибраторов, огромное количество регистров памяти, используемых для записи промежуточных результатов, мощные выходные модули и т.д.

Из этого набора виртуальных элементов с помощью компьютерной программы, работающей под Windows, рисуют на экране (почти как в известных графических программах) сложнейшие системы автоматики, которые затем загружают в контроллер. Включив опцию «симуляция», можно увидеть на экране компьютера, как будет работать вся эта система автоматики в режиме реального времени или в специально смоделированных аварийных режимах.

Совершенно очевидно, что внутренняя архитектура и принципы работы микропроцессорных устройств имеют очень мало общего с устройствами, определенными как электрические реле. Поэтому, по мнению автора, внутреннее устройство и принцип действия микропроцессорных устройств, в том числе и реле защиты, должны рассматриваться и изучаться не специалистами по релейной защите, а специалистами в области компьютерной техники.

Однако, поскольку такие виртуальные микропроцессорные устройства широко применяются в качестве реле защиты, целесообразно рассмотреть некоторые важные аспекты, связанные с применением таких реле. Сначала рассмотрим те преимущества микропроцессорных реле, которые отмечаются в рекламных проспектах производителей.

Рис. 1 Главная плата универсального микропроцессорного реле с установленными на ней стандартным «компьютерным» микропроцессором (1) и постоянным запоминающим устройством (2) с программой, определяющей тип реле

Рис. 2 Плата микропроцессорного реле с входными трансформаторами тока и напряжения

«Преимущества» микропроцессорных реле

Позволяют записывать и потом воспроизводить для анализа аварийной ситуации режимы, непосредственно предшествовавшие аварии и в течение аварии.

А раньше такой возможности у энергетиков не было? Разве не существует огромное количество всевозможных регистраторов аварийных режимов и регистраторов срабатываний реле? ABB, Areva, Siemens, Ametek, NextPhase, Dewetron – далеко не полный перечень ведущих мировых производителей таких регистраторов и анализаторов аварийных режимов.

Позволяют с помощью подключенного компьютера изменять уставки срабатывания и переходить с одной характеристики на другую чисто программными средствами.

Это действительно удобнее, чем настраивать реле с помощью потенциометров и отвертки, но сколько раз в течение 10–20 лет приходится в реальных условиях изменять режимы настройки реле? Два-три, не больше.

Позволяют передавать всю информацию об их состоянии на удаленные диспетчерские пункты через специальные каналы связи.

А разве до микропроцессорных реле не применялись дистанционные многоканальные системы передачи данных (например, SCADA), осуществляющие передачу информации о срабатывании каждого электромеханического реле на главный диспетчерский пульт?

Позволяют менять конфигурацию комплекта релейной защиты: включать или отключать отдельные функции (то есть как бы подключать или отключать отдельные реле) чисто программными средствами, с помощью подключенного внешнего компьютера.

Это действительно намного удобнее, чем устанавливать дополнительные реле и переделывать монтаж в панелях релейной защиты. Но опять возникает тот же самый вопрос: как часто приходится прибегать к таким операциям? Один (или два в самом неблагоприятном случае) раза за весь срок службы реле (25 – 30 лет).

Одно небольшое по размерам микропроцессорное реле может заменить целую группу обычных электромеханических реле. Особенно это относится к сложным защитам типа дистанционных. Благодаря этому можно сэкономить дорогостоящие площади, занимаемые шкафами с релейной защитой.

Действительно, сложные микропроцессорные реле занимают площади для монтажа в 5–10 раз меньшие, чем аналогичный по функциональным возможностям комплект обычных реле. Но вот каверзный вопрос: какую часть площади всей электростанции или подстанции удастся сэкономить при переходе от обычных электромеханических реле к микропроцесорным? Одну стотысячную или одну миллионную?

Позволяют реализовать значительно более высокую чувствительность к аварийным режимам, чем электромеханические реле.

И это чистейшая правда, но вопрос в том, всегда ли нужна такая чувствительность и точность в релейной защите энергетических объектов? Яркий пример тому – микропроцессорные реле частоты, обеспечивающие срабатывание при отклонении частоты на 0,005 Гц, в отличие от простых аналоговых электронных реле с точностью срабатывания 0,01–0,05 Гц (для разных моделей). Интересно, есть ли где-нибудь в мире электростанция или подстанция, на которых используется реле частоты, производящее какие-либо операции в энергосистеме при отклонении частоты на 0,005 Гц от номинального значения? Во многих случаях бывает избыточной чувствительность даже обычных электромеханических или аналоговых электронных реле и их приходится искусственно загрублять.

Более высокая надежность статических микропроцессорных реле по сравнению с электромагнитными реле, содержащими механически перемещающиеся элементы.

Действительно, кажется неоспоримым тот факт, что статическое устройство, не содержащее подвижных элементов, намного надежнее в работе, чем сложный механизм со множеством взаимодействующих элементов. Но это только на первый взгляд. При более тщательном рассмотрении оказывается, что всё не так просто.

Во-первых, количество срабатываний (то есть перемещений подвижных элементов) электромеханических реле защиты совершенно мизерно по сравнению с их ресурсом. В личной практике автора были случаи, когда на проверку поступали реле с заводским дефектом, которые находились в эксплуатации свыше 10 лет. Тот факт, что эти дефекты не были выявлены в течение свыше 10 лет, говорит лишь о том, что в течение всего этого времени реле ни разу не сработало (а еще о том, что недопустимо проводить проверки реле так редко). О каком механическом износе подвижных частей может идти речь в таких случаях?

Во-вторых, количество элементов, из которых построено микропроцессорное реле, в сотни-тысячи раз больше, чем количество элементов, из которых состоит электромеханическое реле. А из теории надежности известна обратно пропорциональная зависимость между количеством элементов и надежностью сложных систем. Что касается надежности самих элементов, то и тут не всё так просто. В электромеханическом реле под воздействием внешних факторов, способных вызвать повреждение, находятся лишь катушки электромагнитов и изоляция внутренних монтажных проводов. Сами по себе это очень надежные и устойчивые элементы, но если бы возникла необходимость в дальнейшем повышении надежности, то катушки можно было бы пропитать эпоксидным компаундом под вакуумом и использовать монтажные проводники во фторопластовой изоляции.

В микропроцессорных реле практически все электронные элементы находятся под воздействием приложенного напряжения питания, а часть из них – и под воздействием входного тока или напряжения. Часть элементов постоянно находится в режиме генерации сигналов. Некоторые компоненты (например, электролитические конденсаторы) усиленно стареют при постоянном воздействии рабочего напряжения. Что касается микросхем – основных активных элементов микропроцессорных реле, то именно они являются причиной большинства отказов реле (см. рис. 4 в [1]).

Не удивительно поэтому, что исследования, выполненные исследовательским отделом Israel Electric Corporation [2], привели к выводу о том, что надежность микропроцессорных реле ниже, чем электромеханических и полупроводниковых статических реле. Компоненты микропроцессорных реле выходят из строя чаще, чем элементы реле других видов. При этом отмечается, что имеющийся в сложных микропроцессорных реле внутренний мониторинг исправности не спасает дело, так как, во-первых, это мониторинг только основных режимов крупных функциональных блоков, а не исправности элементов, а во-вторых, информация о выходе из строя какого-то блока реле поступает к персоналу уже после того, как состоялся отказ реле. То есть наличие такой внутренней самодиагностики не увеличивает надежность реле.

Это были так называемые «преимущества» микропроцессорных реле защиты. Рассмотрим далее их недостатки.

Прикреплённый файл : В. Гуревич - Микропроцессорные реле защиты Новые перспективы или новые проблемы?