Védelmek és automatikák (BMEVIVEM266) Póka Gyula, Varju György, Petri Kornél BME Villamos Energetika Tanszék TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048 A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg
A védelmek három generációja Elektromechanikus készülékek
Elektronikus készülékek Numerikus készülékek
Elektromechanikus készülékek
Elektromechanikus készülékek Előnyök
Áttekinthető konstrukció
Rutin tesztelés, karbantartás Mechanikai tehetetlenség
Megbízhatóság Nincs tápegység
Hátrányok Kopás, fáradás, szennyeződés Helyigény Mérőváltók terhelése Információ igényt nem elégít ki
Elektronikus készülékek
Elektronikus készülékek Előnyök Automatizált gyártás Új elvek, komplex védelmek
Moduláris felépítés Nincs mechanikai meghibásodás Egyszerű beállítás, tesztelés Kis terhelés a mérőváltókra Kisebb helyigény
Hátrányok Zavarérzékenység figyelmet igényel Tápegység Korlátozott információ szolgáltatás
Mikroprocesszoros készülékek
Numerikus készülékek Előnyök
Mint elektronikus ++++ Önellenőrző képesség Kommunikációs képesség Illeszkedés a SCADA rendszerbe Azonos HW új programmal Változatos relé-karakterisztikák Komplex védelmek, automatikák Eseménynapló, zavaríró Alkalmazkodó képesség
Hátrányok Új technológia
Túl gyors az elemek fejlődése Tapasztalatok? Zavarérzékenység?
Processzoros védelem elvi séma
RAM
ROM
relé SZ
SH
A/D
MPLX
μP jel
beáll.
PETRI KORNÉL
Processzoros védelem felépítés adat busz
8 bit
cím busz
4 bit
analóg busz
8 csatorna
vezérlő jelek
4 bit
tápfeszültségek
tápegység
központi egység
analóg bemenő egység
relék
beállító egység
…
PETRI KORNÉL
START watch dog 2
nullázások
Processzoros védelem „főprogram”
watch dog 1
inicializálás paraméter beállítás
n
paraméter változás?
i paraméter átállítás
tesztrutinok
hiba ?
n
i üzemképtelen
kommunikáció
PETRI KORNÉL
Mintavétel Digitális szűrés
Processzoros védelem „interrupt rutin”
Tárolás
Algoritmusok Döntések
Watch-dog
PETRI KORNÉL
A Protecta modul rendszere TECHNOLÓGIAI BUS
1Mb/s C1 1Mb/s C2
A/D DC/DC
MÉRŐVÁLTÓKTÓL
ZAVARÍRÓ
JELFELDOLGOZÓ P
LÉSER ADÓ-VEVŐ
IRÁNYÍTÁS TECHNIKAI CSATOLÓ
FÉNYKÁBEL
FŐ PROCESSZOR
FÉNYKÁBEL
TASTATURA HELYI GRAF.MEGJ.
RS232
INPUT
INPUT
DIGITÁLIS BEMENETEK 8X
MŰKÖDTETŐ PARANCSOK, JELZÉSEK 4X
EUROPROT HARDVER STUKTURA
PETRI KORNÉL
Protecta integrált CPU-s rendszere TECHNOLÓGIAI BUS
1Mb/s C1 1Mb/s C2
FŐ PROCESSZOR
A/D DC/DC
LÉZER ADÓ-VEVŐ
ZAVARÍRÓ
MÉRŐVÁLTÓKTÓL
JELFELDOLGOZÓ P
IRÁNYÍTÁS TECHNIKAI P
FÉNYKÁBEL
TASTATURA HELYI MEGJ.
RS232
INPUT
INPUT
DIGITÁLIS BEMENETEK 8X
MŰKÖDTETŐ PARANCSOK, JELZÉSEK 4X
EUROPROT HARDVER STRUKTÚRA
PETRI KORNÉL
CPU modul
PETRI KORNÉL
CPU modul
16
LCD szerkesztés
17
PLC editor (egy példa)
18
A védelem, mint WEB szerver
19
A védelmi szoftver rendszer HW környezet SW
Funkció blokkok
IEC61850 adatok
Számított DSP funkciók
Események
Napló
Analóg bemenetek
Számláló Digitális bemenetek
Státusz jelek Paraméterek Mért értékek Konstansok
Vezérlő bemenetek
Zavaríró
On-line Egyenletek Timerek
Mátrix
Dig. kimenetek
GOOSE bemenetek
Soros bemenetek
Egyenletek
Egyenletek.
GOOSE kimenetek
Soros kimenetek
20
Numerikus túláramvédelmek Az áram pillanatértékeinek értékelése
Egyenirányított középérték mérés Effektív érték mérés Fourier algoritmus, felharmonikus szűrés
Hőmás védelem
21
Az áram pillanatértékeinek értékelése
Védelmi döntésre önmagában alkalmatlan
22
Egyenirányított középérték mérés (1) A Deprez műszer mérési elvének numerikus
megvalósítása 𝛼+𝜋
𝑇=𝐴
sin 𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡 = 𝐴 𝛼
23
𝜋
sin 𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡 = 2 ∙ 𝐴 0
Egyenirányított középérték mérés (2)
24
Egyenirányított középérték mérés (4) Hibaforrások: ●
integrál közelítés
● tranziens jelenségek
● frekvencia eltolódás ● felharmonikusok
● digitális mintavételezés
25
Egyenirányított középérték mérés (6/a) min
max
sáv
%
%
%
3
-9,31
4,72
14,03
4
-5,19
2,62
7,81
5
-3,31
1,66
4,97
6
-2,30
1,15
3,45
7
-1,68
0,84
2,52
8
-1,29
0,65
1,94
9
-1,02
0,51
1,53
10
-0,82
0,41
1,23
11
-0,68
0,34
1,02
12
-0,57
0,29
0,86
Nf
26
Egyenirányított középérték mérés (6/b) Mérési hiba 20 15
Hiba %
10 5 0 -5 0
2
4
6
8
-10 -15 Nf
27
10
12
14
A módszer tranziensei (1) Tiszta 50 Hz-es időfüggvény egyenáramú összetevő nélkül
Zárlati áram
Számított érték
28
A módszer tranziensei (2) Tiszta 50 Hz-es időfüggvény egyenáramú összetevővel
Zárlati áram
Számított érték
29
Az egyenáramú összetevő kiszűrése Ha az egyenáramú összetevő állandó
𝑖 = 𝐼0 + 𝐼sin 𝜔𝑡 Két fél periódus eltérésű pillanatérték összege:
𝑇 𝑖 𝑡 +𝑖 𝑡+ = 𝐼0 + 𝐼 sin 𝜔𝑡 2
+ 𝐼0 + 𝐼 sin 𝜔𝑡 + 𝜋
Hiba a szűrésben az exponenciálisan lecsengő jelleg miatt ● ha T kicsi, kicsi a hatás, ● ha T nagyon nagy, a szűrő jól szűr, ● van olyan T, amelynek legrosszabb a hatása.
30
= 2𝐼0
Az egyen-szűrés hatása Szűrés nélkül
31
Szűréssel
Simító szűrés
Az algoritmus kimenetén a hasznos jel az állandó
összetevő, a hibát a nagyfrekvenciás összetevő okozza, alul-áteresztő szűrés javít.
32
Simító szűrő algoritmus (1) 𝑦 𝑛 =𝑞∙𝑦 𝑛−1 +𝑥 𝑛 x(n)
az n-edik mintavételkor számított közelítő összeg, az algoritmus kimenete, y(n) a fenti rekurzív szűrő kimenete az n-edik mintavételkor, y(n-1) az előző mintavételi lépésben nyert kimenet, q egy egynél kisebb, pozitív szűrő állandó.
33
Simító szűrő algoritmus (2) 𝑦 𝑛 =𝑞∙𝑦 𝑛−1 +𝑥 𝑛 Állandó x bemenetnél geometriai sor, ennek összege a szűrő állandósult kimenete:
1 𝑠=𝑥 𝑛 1−𝑞 34
Simító szűrő algoritmus (3) A szűrő frekvencia-átvitele A vizsgáló jel:
𝑥 𝑛 = 𝑒 𝑗𝜔𝑡 A kimeneten ugyanilyen frekvenciájú jel jelenik meg:
𝑦 𝑛 = 𝐴 𝜔 𝑒 𝑗𝜔𝑡 Ennek egy mintavétellel korábbi értéke:
𝑦 𝑛 − 1 = 𝐴 𝜔 𝑒 𝑗𝜔
35
𝑡−∆𝑡
Simító szűrő algoritmus (4) Az előzőekkel a szűrő egyenlete:
𝐴 𝜔 𝑒 𝑗𝜔𝑡 = 𝑞𝐴 𝜔 𝑒 𝑗𝜔
𝑡−∆𝑡
+ 𝑒 𝑗𝜔𝑡
Ebből a frekvencia-átviteli karakterisztika:
1 𝐴 𝜔 = 1 − 𝑞𝑒 𝑗𝜔∆𝑡
36
A simító szűrő karakterisztika tulajdonságai 1 𝐴 𝜔 = 1 − 𝑞𝑒 𝑗𝜔∆𝑡 1) Periodikus 2𝜋 = 𝜔∆𝑡 =
𝜔 𝑓 = 2𝜋 𝑓𝑚 𝑓𝑚
2) A 0-ra szimmetrikus, a szokásos vizsgált intervallum: 0≤
𝑓 ≤ 0,5 𝑓𝑚
3) A szélső értékek: 1 1 𝐴 0 = = 𝑗0 1−𝑞 1 − 𝑞𝑒 37
1 1 𝐴 𝜋 = = 𝑗𝜋 1+𝑞 1 − 𝑞𝑒
A simító szűrő karakterisztika A(w)
0
38
0,5
𝑓 𝑓𝑚
A simító szűrés hatása (1)
q=0
39
q=0,9
A simító szűrés hatása (2)
q=0,9
40
q=0,8
Egyenirányított középérték mérés Mérési ingadozás pontatlan hálózati frekvencia esetén
41
Egyenirányított középérték mérés (9) Az algoritmus tranziense és állandósult állapota f=48 Hz-en
Zárlati áram
Számított érték
42
A simítás hatása Simítás nélkül
q=0
43
Simítással
q=0,8
Effektív érték mérés (1) Időfüggvény négyzet integrálása fél periódusra, a lágyvasas műszer mérési elvének numerikus megvalósítása
𝛼+𝜋
𝑇2
=
𝐴2
sin2 𝛼
44
𝛼+𝜋
𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡 =
𝐴2 𝛼
1 − cos 2𝜔𝑡 𝜋 2 𝑑𝜔 = ∙ 𝐴 2 2
Effektív érték mérés (2) Az algoritmus nem függ a kezdőszögtől, így • a kimeneti időfüggvény pontosabb, • a kimeneti időfüggvényben nincs kis frekvenciás összetevő • a simító szűrés hatékonyabb.
Hátránya a nagyobb művelet-igény.
45
A simító szűrés hatása Szűrés nélkül
46
Szűréssel
A FOURIER algoritmus (1)
A Fourier sorfejtés numerikus megvalósítása Periodikus időfüggvény feltételezése
Felharmonikusok korrekt kezelése
47
A Fourier módszer matematikai alapja Periodikus időfüggvény feltételezése: ∞
𝑖 𝑡 = 𝐴0 +
𝐴𝑛 cos 𝑛𝜔1 𝑡 + 𝐵𝑛 sin 𝑛𝜔1 𝑡 𝑛=1
A Fourier együtthatók: 𝐴𝑛 =
2 𝑇
2 𝐵𝑛 = 𝑇
48
𝑡0 +𝑇
𝑖 𝑡 cos 𝑛𝜔1 𝑡 𝑑𝑡 𝑡0
𝑡0 +𝑇
𝑖 𝑡 sin 𝑛𝜔1 𝑡 𝑑𝑡 𝑡0
A Fourier módszer numerikus megvalósítása Mintavételezés i0, i1, ...i(N-1), iN
Az integrál közelítése 2 𝐴1 = 𝑁 2 𝐵1 = 𝑁
49
𝑁−1
𝑖𝑘 cos 𝜔1 𝑘=0 𝑁−1
𝑖𝑘 sin 𝜔1 𝑘=0
𝑇 𝑡0 + 𝑘 𝑁 𝑇 𝑡0 + 𝑘 𝑁
𝑁−1
=
𝑖𝑘 𝑎𝑘 𝑘=0 𝑁−1
=
𝑖𝑘 𝑏𝑘 𝑘=0
A Fourier együtthatók Álló koordináta-rendszer 𝑎𝑘 = cos 𝜔1 𝑘
𝑇 𝑁
𝑏𝑘 = sin 𝜔1 𝑘
𝑇 𝑁
Forgó koordináta-rendszer
50
𝑎𝑘 = cos 𝜔1 𝑡0 + 𝑘
𝑇 𝑁
𝑏𝑘 = sin 𝜔1 𝑡0 + 𝑘
𝑇 𝑁
Alapharmonikus számítása 𝐴1 =
2 𝑁
2 𝐵1 = 𝑁
𝑁−1
𝑖𝑘 cos 𝜔1 𝑡0 + 𝑘 𝑘=0
𝑁−1
𝑖𝑘 sin 𝜔1 𝑘=0
𝐼1 =
𝑇 𝑡0 + 𝑘 𝑁
𝐴1 2 + 𝐵1 2
𝜑1 = ar ctg
51
𝑇 𝑁
𝐵1 𝐴1
𝑁−1
=
𝑖𝑘 𝑎𝑘 𝑘=0
𝑁−1
=
𝑖𝑘 𝑏𝑘 𝑘=0
A Fourier szűrő frekvenciamenete (1)
52
A Fourier szűrő frekvenciamenete (2)
53
A kiemelt felharmonikusok N 4 6 8
10 12 14 16
18 20
54
3
5
7
5
7 7
A kiemelt felharmonikusok rendszáma 9 11 13 15 17 19 21 23 11
13
9
9
17 15
11 11
19
17
19 15 15
23
25
23
25
23
25
27
21
13 13
25
27 17
17
19 19
21
...
A Fourier szűrő tranziensei (1) Tiszta 50 Hz-es időfüggvény egyenáramú összetevő nélkül
Zárlati áram
Számított érték
55
A Fourier szűrő tranziensei (2) 50 Hz-es időfüggvény egyenáramú összetevővel, automatikus egyen szűrés
Zárlati áram
Számított érték
56
A Fourier szűrő tranziensei (3) Simító szűréssel
Zárlati áram
Számított érték
57
Túláramvédelem fajták összehasonlítása Döntés az áram effektív értéke alapján • Független késleltetésű túláramvédelmek • Áramtól függő késleltetésű túláramvédelmek • Inverse • Very inverse • Extremely inverse • Hőmás védelem
58
Független késleltetésű túláramvédelmek t(I)
T_beall1
T_beall2 I I_beall1
59
I_beall2
Független késleltetésű túláramvédelmek
60
Áramtól függő késleltetésű túláramvédelmek (IDMT) k t (G ) TMS c I 1 I beall IEC ref
61
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
A B C
D E F
Title
kr
c
α
IEC Inv IEC VeryInv IEC ExtInv IEC LongInv ANSI Inv ANSI ModInv ANSI VeryInv ANSI ExtInv ANSI LongInv ANSI LongVeryInv ANSI LongExtInv
0,14 13,5 80 120 0,0086 0,0515 19,61 28,2 0,086 28,55 64,07
0 0 0 0 0,0185 0,1140 0,491 0,1217 0,185 0,712 0,250
0,02 1 2 1 0,02 0,02 2 2 0,02 2 2
62
A hőmás védelem elmélete (1) 𝑄𝐼 = 𝐼 2 𝑡 𝑅𝑑𝑡
A termelt hő: A melegedésre:
𝑄𝑀 = 𝑐𝑚𝑑Θ
A környezetbe leadott:
𝑄𝐾 = ℎ𝐴Θ𝑑𝑡
A hőegyensúly:
𝑄𝐼 = 𝑄𝑀 + 𝑄𝐾 Q: a környezethez képesti hőmérséklet
63
A hőmás védelem elmélete (2) A hőegyensúly:
𝐼 2 𝑡 𝑅𝑑𝑡 = 𝑐𝑚𝑑Θ + ℎ𝐴Θ𝑑𝑡
Ebből a differenciál egyenlet:
𝑑Θ 𝐼 2 𝑡 𝑅 1 = − Θ 𝑑𝑡 𝑇ℎ𝐴 𝑇 A hőmérsékleti időállandó:
64
𝑐𝑚 𝑇= ℎ𝐴
A hőmás védelem elmélete (3) A hőmérséklet alakulása (a diff egyenlet megoldása) - állandó áram esetén 𝑡 𝐼2𝑅 − Θ 𝑡 = 1−𝑒 𝑇 ℎ𝐴
- árammentes állapotban (Θo hőmérsékletről indulva)
Θ 𝑡 =
65
𝑡 − Θ0 𝑒 𝑇
A melegedés időbeli folyamata
66
A hőmás védelem elmélete (4) I 2R 1 e T Qt hA t
t Qo e T
Névleges áram (In) esetén állandósul a névleges hőmérséklet (Θn) I n2 R Qn hA R Qn 2 hA I n
Ezzel t Qt I 2 H (t ) 2 1 e T Qn In
67
Qo Tt Q e n
A „hőállapot” H(t) diagrams 1,6 1,4 0
1,2
0,2 1
0,4 0,6
H 0,8
0,8 1
0,6
1,2 0,4
1,4
0,2 0 0
68
0,5
1
1,5
2
2,5
3 t/T
3,5
4
4,5
5
5,5
6
A hőmás védelem elmélete (4) Az áram és az állandósult hőmérséklet összefüggése R Q n Q o Qbeall 2 2 2 hA I n Io I beall Ezzel t Qt I 2 H (t ) 2 1 e T Qn In
Átrendezve
I o2 Tt 2 e I n
t Qt I 2 I o2 I 2 T 2 2 2 e Qn In In In
A kikapcsolási hőmérséklet (Θbeall) eléréséhez szükséges idő adott I áramnál
69
t ln T
I 2 I 02 2 2 In In 2 I 2 I beall 2 2 In In
Hőmás védelem jelleggörbéi Characteristic curves 2 1,8 0
1,6
0,1
t/T
1,4
0,2
1,2
0,3 0,4
1
0,5
0,8
0,6
0,6
0,7 0,8
0,4
0,9
0,2 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3 I/Iset
70
3,5
4
4,5
5
5,5
6
A hőmás védelem numerikus megvalósítása (1) A differenciál-egyenlet: Általános formában:
71
𝑑Θ 𝐼 2 𝑡 𝑅 1 = − Θ 𝑑𝑡 𝑇ℎ𝐴 𝑇 𝑑𝑦 𝑚= = 𝑓 𝑥, 𝑦 𝑑𝑥
az x független változó az y függő változó
a t idő; a Q hőmérséklet;
és az f(x,y) függvény
𝐼2 𝑡 𝑅 1 − Θ 𝑇ℎ𝐴 𝑇
Megoldás lépésről-lépésre y
𝑑𝑦 𝑚= = 𝑓 𝑥, 𝑦 𝑑𝑥
𝑚0 = 𝑓 𝑥0 , 𝑦0
𝑦1 𝑦0 x 𝑥0
𝑥1
𝑦1 = 𝑦0 + 𝑚0 ∙ 𝑥1 − 𝑥0 72
A hőmás védelem numerikus megvalósítása (2) A differenciál-egyenlet megoldása lépésről-lépésre:
1 1 2 Θ 𝑡 + Δ𝑡 = 1 − Θ 𝑡 + 𝐼 𝑡 𝑇 𝑇ℎ𝐴 Δ𝑡 Δ𝑡𝑅 Egyszerűbben:
Θ 𝑡 + Δ𝑡 = 𝑞Θ 𝑡 + 𝑘𝐼 2 𝑡
𝑦 𝑛 =𝑞∙𝑦 𝑛−1 +𝑥 𝑛
73
Transzformátor differenciál védelem ΣI = 0 K
L
l
k +
+ I
74
I
A numerikus védelmeknél közvetlen bekötés és • Numerikus amplitúdó kompenzálás • Numerikus vektor kompenzálás • Numerikus zérus sorrend eliminálás • Védekezés bekapcsolási áramlökés ellen • Védekezés áramváltó telítés ellen • Védekezés áttétel változtatás ellen
PÉLDA I2Rinput
R
Yd11:
I1Rinput
I1Rinput 1 I1Sinput I a 2 I1Tinput a
r a2*I1Rinput*k/√3 I2Sinput
I1Rinput*k/√3
s a*I1Rinput
a2*I1Rinput
a*I1Rinput*k/√3 T
t
75
I2Tinput
S
a2 1 I 2 Rinput I 2Sinput k * I 1 a a 2 3 I 2Tinput 1 a
Vektor kompenzálás („d” oldalra) ***
76
PÉLDA Sn = 125 MVA U1/U2 = 132/11.5 kV/kV Yd11 Az áramváltók áttétele: AV1 600/1 A/A AV2 6000/1 A/A I1np = 546 A az áramváltó szekunder oldalán I2np = 6275 A az áramváltó szekunder oldalán
Amplitudo kompenzáláshoz Ibe1 = 91 % 77
Ibe2 = 105%
I1n = 0.91 A I2n = 1.05 A
Ellenőrzés terhelő áramra I1Rinput 1 I1Sinput I1np * 1 a 2 600 I1Tinput a (1 a 2 ) I1Rshift 1 1 0 I1Rinput I1Sshift 100 1 0 1 1 I1Sinput 1 I1np * 1 * 100 (a 2 a) Ibe1 3 600 Ibe1 3 (a 1) I1Tshift 1 0 1 I1Tinput (1 a 2 ) I1Rshift I1Sshift 1 I1np * 0.00183(a 2 a) 3 (a 1) I1Tshift
Idiff=0 (a 2 1) I 2 Rinput I 2 Rinput I1np * 132 * 1 * 1 (a a 2 ) 11.5 3 6000 I 2 Rinput (1 a)
(a 2 1) (1 a 2 ) I 2 Rshift I 2Sshift 100 * I1np * 132 * 1 * 1 (a a 2 ) 1 I1np * 0.00182(a 2 a) Ibe2 11.5 3 6000 3 (a 1) I 2Tshift (1 a) 78
Transzformátor differenciál védelem működési karakterisztika (3F mérés) Operating Characteristic Diagram Idiff [In] 9 8
Belső zárlat
7 6 5 4 3
Átmenő áram
2 1 0 1,0
2,0
3,0
4,0
Ibias [In]
79
5,0
6,0
7,0
Példa: külső 2F zárlat az Y oldalon I*k/√3
R
I1Rinput 0 I1Sinput I 1 I1Tinput 1
0
r I*k/√3
-2* I*k/√3 0 s I
-I
-I*k/√3 T t
80
I*k/√3
S
I 2 Rinput 1 I 2Sinput k * 1 * I 2 3 I 2Tinput 1
Ellenőrzés Y oldali külső 2F zárlatra I1Rinput 0 I1Sinput 1 * I * 1 600 I1Tinput 1
I1Rshift 1 1 0 I1Rinput 1 1 I1Sshift 1 * 0 1 1 I1Sinput 1 * 100 * 1 * I * 2 0.00183 * 1 * I * 2 600 Ibe1 3 3 3 I1Tshift 1 0 1 I1Tinput 1 1 I 2 Rinput 1 I 2Sinput 1 * 132 * 1 * I * 2 6000 11.5 3 I 2Tinput 1
Idiff=0
I 2 Rshift 1 1 I 2Sshift 100 * 1 * 132 * 1 * I * 2 0.00182 * 1 * I * 2 Ibe2 6000 11.5 3 3 I 2Tshift 1 1
81
Transzformátor differenciál védelem működési karakterisztika (2F elmélet)
Id
Beállított R, T S Eredő
Is
82
Transzformátor differenciál védelem működési karakterisztika (2F mérés) Id
Beállított R, T S Eredő
Operating Characteristic Diagram Idiff [In] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1
Is
83
2
3
4
5
6
Ibias [In]
7
8
9
10
Numerikus távolsági védelem algoritmusok
Szűkítés
X
Rt Vezeték
Terhelés
szög
szöge R
84
Impedancia mérés zárlatfajtánként Zárlatfajta 3F(N) 2F AB 2F BC 2F CA 2FN AB 2FN BC 2FN CA FN A FN B FN C 85
Z
Lehet még
U B UC I B IC U UB Z AB A IA IB U UC Z BC B I B IC U UA Z CA C IC I A U UB Z AB A IA IB U UC Z BC B I B IC U UA Z CA C IC I A UA ZA I A 3I o UB ZB I B 3I o
ZAB, ZCA ZA ZB ZC
Z BC
ZC
UC I C 3I o
ZA, ZB ZB, ZC ZC, ZA
Példa1: vonali egyenletek 2F mérés
86
Példa2: fázis egyenletek 2F mérés
87
Speciális problémák a numerikus algoritmusok kapcsán A zárlati tranziensek által okozott zavar A gyors algoritmusok működése alatt még nem áll
be az állandósult állapot Nincs természetes csillapító hatás Az áramváltó telítésének hatása A torz szekunder áram ellenére pontosan kell
impedanciát mérni
88
Az R-L modell (1)
A körre felírható differenciál-egyenlet két időpontra:
89
𝑅𝑖1 + 𝐿
𝑑𝑖1 = 𝑢1 𝑑𝑡
𝑅𝑖2 + 𝐿
𝑑𝑖2 = 𝑢2 𝑑𝑡
Ismeretlen R és L, mért az áram pillanatértékek és a deriváltak
Az R-L modell (2) A két-ismeretlenes egyenletrendszer: 𝑎𝑅 + 𝑏𝐿 = 𝑐
𝑑𝑅 + 𝑒𝐿 = 𝑓 A megoldás:
𝑐𝑒 − 𝑏𝑓 𝑅= 𝑎𝑒 − 𝑏𝑑
𝑐𝑑 − 𝑓𝑎 𝐿= 𝑏𝑑 − 𝑒𝑎 Különböző numerikus módszerek az együtthatók meghatározása szerint.
90
Az „A4” módszer
𝑖3 − 𝑖1 = 𝑢2 2∆𝑡 𝑖4 − 𝑖2 𝑅𝑖3 + 𝐿 = 𝑢3 2∆𝑡 𝑅𝑖2 + 𝐿
91
Az „A4” módszer együtthatói Pl.
„ BC” zárlatkor 𝑎 = 𝑖𝑏2 − 𝑖𝑐2 𝑏=
𝑖𝑏3 − 𝑖𝑐3 − 𝑖𝑏1 − 𝑖𝑐1 ∙ 𝑘𝑜𝑟𝑟 2∆𝑡
𝑐 = 𝑢𝑏2 − 𝑢𝑐2 𝑑 = 𝑖𝑏3 − 𝑖𝑐3 𝑖𝑏4 − 𝑖𝑐4 − 𝑖𝑏2 − 𝑖𝑐2 𝑒= ∙ 𝑘𝑜𝑟𝑟 2∆𝑡 𝑓 = 𝑢𝑏3 − 𝑢𝑐3 92
Az „A4” módszer tranziensei (1) R-L kör, zárlat feszültség csúcsértéknél, szűrés nélkül u(t)
i(t)
𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅 𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
93
Az „A4” módszer tranziensei (2) R-L kör, zárlat feszültség csúcsértéknél u(t)
i(t) 𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅 𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿 94
Az „A4” módszer tranziensei (3) R-L kör, zárlat feszültség nulla-átmenet közelében u(t)
i(t)
𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅 𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
95
Az „A4” módszer tranziensei (4) Távvezeték, zárlat feszültség nulla-átmenet közelében u(t)
i(t) 𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅 𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
96
Az „A4” módszer tranziensei (5) Távvezeték, zárlat feszültség csúcsértékénél
u(t)
i(t) 𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅 𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
97
Az „A4” módszer tranziensei (6) Távvezeték, zárlat feszültség csúcsértékénél, szűréssel u(t) i(t)
𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅
𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
98
Összefoglaló a diff.egyenlet megoldó módszerekről Jól alkalmazható R és L meghatározására, Alul-áteresztő szűrés szükséges,
Egymás között nincs lényeges különbség, A hosszú ablakkal dolgozó módszer zajtűrőbb, de
lassabb, A zérus sorrendű keverés két valós tényezővel megoldható, R számításában nagyobb a bizonytalanság.
99
Ortogonális összetevőkön alapuló módszerek U és I vektor-komponensek
𝑈 = 𝐴𝑢 + 𝑗𝐵𝑢
𝐼 = 𝐴𝑖 + 𝑗𝐵𝑖
Ezekkel az impedancia
𝐴𝑢 + 𝑗𝐵𝑢 𝐴𝑢 𝐴𝑖 + 𝐵𝑢 𝐵𝑖 𝐴𝑖 𝐵𝑢 − 𝐴𝑢 𝐵𝑖 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 = 𝐼 = = +𝑗 𝐴𝑖 + 𝑗𝐵𝑖 𝐴𝑖 𝐴𝑖 + 𝐵𝑖 𝐵𝑖 𝐴𝑖 𝐴𝑖 + 𝐵𝑖 𝐵𝑖
100
A Fourier módszer alkalmazása 2 𝐴𝑢 = 𝜋
𝐵𝑢 =
2 𝜋
𝑁
𝑁
𝑢𝑘 cos 𝑘𝜔𝑡∆𝑡 =
𝑎 𝑘 𝑢𝑘
𝑘=1
𝑘=1
𝑁
𝑁
𝑢𝑘 sin 𝑘𝜔𝑡∆𝑡 = 𝑘=1
𝑏𝑘 𝑢𝑘 𝑘=1
(Áramra hasonlóan). Problémák: • periodikus időfüggvényt feltételez, • 1 periódusnyi ablak, • periodikus szűrő karakterisztika.
101
Fourier módszer tranziensei (1) Zárlat feszültség csúcsban: u(t) i(t)
𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅
𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
102
Fourier módszer tranziensei (2) Zárlat feszültség nullánál u(t)
i(t)
𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅 𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
103
Fourier u(t)
i(t)
itelített(t)
𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅 𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
104
A4 u(t)
i(t)
itelített(t) 𝑅𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝑅 𝐿𝑠𝑧á𝑚í𝑡𝑜𝑡𝑡 𝐿
105
Védelmek és az üzemirányítás
106
Hagyományos alállomási kommunikáció Alkalmazás 1
Külső Alkalmazás
Alkalmazás 2
? Adatbázis
Driver 1
Driver 2
Driver 3
Gateway/RTU IED
IED
IED IED
107
IED
Hagyományos SCADA adat hozzáférés A feszültség itt van Definíció!?
108
SCADA
Hagyományos alállomási kommunikáció
• Speciális pont-pont kapcsolat az IED-khez. • Alkalmazások felkészítése:
• Különböző protokollokhoz • Különböző adat formátumokhoz • Különböző adat címzésekhez
• A protokollok alkalmazási korlátai • Nehézkes hozzáférés más alkalmazások számára • Új készülék és/vagy alkalmazás esetén a kommunikációs rendszert újra kell konfigurálni
Hagyományos SCADA adatszerkezet • Gyártótól függő azonosítók • Egyedi felépítésű címzés • • • • •
Driver Vonal Rack Készülék adatcím Hálózat
• Kézi címzés-hozzárendelés • Kézi ellenőrzés • Alkalmazástól függő címkézés
A jelenlegi helyzet
PROFIBUS
UCA2 LON
60870-5 -103
60870-5 -101/4
DNP
111
Cél: Együttműködés (interoperability) Közös busz és közös protokoll (syntax)
Kölcsönös megértés (szemantika) Közösen teljesített funkciók
A helyettesíthetőség (Interchangeability) nem követelmény
Új SCADA rendszer Megjelenítés
Állomási Gateway
Központi Alkalmazás
Állomási busz
Irányítás technika
Védelem
Védelem & irányítás
Irányítás technika
Védelem
Folyamat busz Folyamat interfész
113
Folyamat interfész
Folyamat interfész
IEC61850 alállomási kommunikáció Állomás busz-
Védelmek
10/100/1000 MB Ethernet
Relay IED
Relay IED Folyamat busz
MU küldi:
MU
FV I/O
MU
Network Hálózat
AV
FV I/O AV
Clk2
MU
FV
MU = Merging Unit (adatgyűjtő)
114
Remote Távoli Access elérés
.1/1/10GB Ethernet
U/I/státusz
Clk1
Relay IED
I/O
AV
Tipikus IED-k Információátvitel Gateways, converters, RTU-s Védelmi készülékek (védelmi jelátvitele) HMI interface Gateways, PC, workstations,
IED-k integrált HMI-vel (számítógépek)
Technológia Mezőgép Védelmi készülék RTU Mérő műszer Önálló szabályozók (pl. feszültségszabályozó) Jeladó Digitális feszültségváltók, áramváltók
IEC61850 objektum modell Adat objektum
A
PhV
Logikai csomópont MMXU1
MMXU2
Logikai készülék (pl. védelem funkció)
Fizikai készülék (hálózati címmel)
116
• 2-es leágazás • Áram mérés • az 1. védelemben
IEC61850 készülékek X készülék
Y készülék
I> védelem
PIOC
Mérések MMXU1
Diff védelem Mérések MMXU1
PDIF
ST
DC
DC MX
ST
DC
DC MX
Mod
Mod
PhV PhV
Mod
Mod
PhV PhV
MMXU1$MX$PhV IEC61850-8-1 megnevezés 117
IEC61850 hálózat felépítés • Az IED-k adatai minden alkalmazásban használhatók • Új készülék és/vagy alkalmazás esetén a hálózat változatlan • Szabványos, bevált kommunikációs hálózat • Az IED-kben és az alkalmazásokban közös: • • • •
Protokoll Adat formátum és leíró Adat címzés és megnevezés Konfiguráló nyelv
IEC61850 készülékek • A távoli kliensben csak a készülék címzést kell ismerni • Az adatpont neve azonosítja az adatokat • Az adatpont neve automatikusan lekérdezhető • Minden készülék azonos megnevezés-rendszer szerint értelmezi az adatokat • A készülék konfigurációk az IEC61850-6-1 (SCL) file átadásával állíthatók be
Abstract Communications Service Interface
ACSI • Definiálja az objektumokat • Definiálja az objektumok jellemző adatait • Definiálja az eljárásokat (services), amikkel hozzáférhetünk az objektumokhoz
Adatmodell (példa)
121
Logikai csomópont típusok ● ● ● ● ● ● ●
L Rendszer P Védelem (Protection) R Védelmmel kapcsolatos C Vezérlés (Control) G Általános (Generic) I Interfész és archiválás A Automatikus szabályozás
● ● ● ● ● ●
M Mérések S Szenzorok és felügyelet X Kapcsoló berendezés T Mérőváltók Y Transzformátorok Z Egyéb hálózati elemek
● Példák: ● PDIF: Differenciál védelem ● CSWI: Átkapcsoló automatika ● RBRF: Megszakító beragadás ● MMXU: Mérő elem ● XCBR: Megszakító ● YPTR: Transzformátor
122
Példa az objektum kezelő eljárásokra (services) • GetData – Adat kiolvasás • SetDataValues – Adat beírás • GetDataDirectory – Az objektumok neveinek kiolvasása
ACSI eljárások (services)
Az önleírást biztosító eljárások
ACSI Services LogicalDeviceDirectory GetAllDataValues GetDataValues SetDataValues GetDataDirectory GetDataDefinition GetDataSetValues SetDataSetValues CreateDataSet DeleteDataSet GetDataSetDirectory Report (Buffered and Unbuffered) GetBRCBValues/GetURCBValues SetBRCBValues/SetURCBValues GetLCBValues SetLCBValues QueryLogByTime QueryLogAfter GetLogStatusValues Select SelectWithValue Cancel Operate Command-Termination
MMS Services GetNameList Read Read Write GetNameList GetVariableAccessAttributes Read Write CreateNamedVariableList DeleteNamedVariableList GetNameList InformationReport Read Write Read Write ReadJournal ReadJournal GetJournalStatus Read/Write Read/Write Write Write Write
Kommunikáció az IED-k között Station gateway
Station computer
GOOSE Control
Protection
Process Interface
Control & Protection
Control
Process Interface
Protection
Process Interface
GOOSE = Generic Object Oriented System-wide Events 125
Prioritásos üzenetek Ethernet-Switch
Előző sáv IEC GOOSE
GOOSE Normal Telegrams Puffer a normál táviratoknak
126
127
