В коммунальных и промышленных системах передачи и распределения электроэнергии цифровое реле представляет собой компьютерную систему с программными алгоритмами защиты для обнаружения электрических неисправностей . [1] Такие реле также называются защитными реле микропроцессорного типа. Они являются функциональной заменой электромеханических защитных реле и могут включать в себя множество функций защиты в одном устройстве, а также обеспечивать функции измерения, связи и самотестирования.
Цифровое защитное реле — это защитное реле , которое использует микропроцессор для анализа напряжений, токов или других технологических величин энергосистемы с целью обнаружения неисправностей в электроэнергетической системе или промышленной технологической системе. Цифровое защитное реле также может называться «цифровым защитным реле».
Низковольтные и слаботочные сигналы (т. е. на вторичной обмотке трансформаторов напряжения и трансформаторов тока ) подаются в фильтр нижних частот , который удаляет частотный контент выше примерно 1/3 частоты дискретизации (релейный АЦП должен производить выборку быстрее, чем дважды за цикл самой высокой частоты, которую он должен контролировать). Затем сигнал переменного тока дискретизируется аналого-цифровым преобразователем реле от 4 до 64 (зависит от реле) выборок за цикл энергосистемы. Как минимум, величина входящей величины, обычно использующая концепции преобразования Фурье ( RMS и некоторая форма усреднения), будет использоваться в простой функции реле. Более продвинутый анализ может использоваться для определения фазовых углов , мощности , реактивной мощности , импеданса , искажения формы сигнала и других сложных величин.
Для большинства алгоритмов защиты требуется только фундаментальный компонент, если только не используется высокоскоростной алгоритм, который использует данные субцикла для мониторинга быстро меняющихся проблем. Затем отобранные данные проходят через фильтр нижних частот, который численно удаляет частотный контент, который выше основной частоты интереса (т. е. номинальной частоты системы), и использует алгоритмы преобразования Фурье для извлечения величины и угла основной частоты.
Реле анализирует полученные выходы АЦП, чтобы определить, требуется ли действие в соответствии с его алгоритмом(ами) защиты. Алгоритмы защиты представляют собой набор логических уравнений, частично разработанных инженером по защите, а частично — производителем реле. Реле способно применять расширенную логику. Оно способно анализировать, должно ли реле срабатывать или не срабатывать на основе параметров, установленных пользователем, в сравнении со многими функциями его аналоговых входов, входов контактов реле, времени и порядка последовательностей событий.
При обнаружении неисправности выходные контакты срабатывают, отключая соответствующий автоматический выключатель(и).
Логика настраивается пользователем и может варьироваться от простой замены переключателей на передней панели или перемещения перемычек на печатной плате до доступа к веб-странице настройки внутренних параметров реле через канал связи на другом компьютере, находящемся в сотнях километров.
Реле может иметь обширный набор настроек, выходящих за рамки тех, которые можно ввести с помощью ручек и дисков на передней панели, и эти настройки передаются в реле через интерфейс с ПК ( персональным компьютером ), и этот же интерфейс ПК может использоваться для сбора отчетов о событиях с реле.
В некоторых реле короткая история всех выборочных данных сохраняется для осциллографических записей. Запись событий будет включать некоторые средства для пользователя, чтобы увидеть синхронизацию ключевых логических решений, изменения ввода/вывода реле и увидеть, в осциллографическом режиме , по крайней мере, фундаментальный компонент входящих аналоговых параметров.
Цифровые/цифровые реле обеспечивают дисплей на передней панели или дисплей на терминале через интерфейс связи. Это используется для отображения настроек реле и значений тока/напряжения в реальном времени и т. д.
Более сложные цифровые реле будут иметь порты протоколов измерения и связи, что позволит реле стать элементом системы SCADA . Порты связи могут включать RS-232 / RS-485 или Ethernet (медный или оптоволоконный). Языки связи могут включать протоколы Modbus , DNP3 или IEC61850 .
Напротив, электромеханическое защитное реле преобразует напряжения и токи в магнитные и электрические силы и крутящие моменты, которые давят на натяжение пружин в реле. Натяжение пружины и отводы на электромагнитных катушках в реле являются основными процессами, с помощью которых пользователь настраивает такое реле.
В твердотельном реле входящие формы напряжения и тока контролируются аналоговыми цепями, а не записываются или оцифровываются. Аналоговые значения сравниваются с настройками, сделанными пользователем с помощью потенциометров в реле, а в некоторых случаях и отводов на трансформаторах.
В некоторых твердотельных реле простой микропроцессор выполняет часть релейной логики, но логика фиксирована и проста. Например, в некоторых твердотельных реле максимального тока с выдержкой времени входящий переменный ток сначала преобразуется в небольшое значение переменного тока сигнала, затем переменный ток подается в выпрямитель и фильтр, которые преобразуют переменный ток в значение постоянного тока , пропорциональное форме волны переменного тока. Операционный усилитель и компаратор используются для создания постоянного тока, который повышается при достижении точки срабатывания. Затем относительно простой микропроцессор выполняет медленное аналого-цифровое преобразование сигнала постоянного тока, интегрирует результаты для создания отклика кривой максимального тока с выдержкой времени и срабатывает, когда интегрирование превышает заданное значение. Хотя это реле имеет микропроцессор, у него отсутствуют атрибуты цифрового/числового реле, и, следовательно, термин «микропроцессорное реле» не является четким термином.
Цифровое/числовое реле было изобретено Джорджем Рокфеллером. [2] Джордж задумал его в своей магистерской диссертации в 1967–68 годах в Ньюаркском инженерном колледже. [3] Он опубликовал свою основополагающую работу « Защита от неисправностей с помощью цифрового компьютера» [4] в 1969 году. Компания Westinghouse разработала первое цифровое реле Prodar 70 [5], которое разрабатывалось между 1969 и 1971 годами. Оно было введено в эксплуатацию на линии электропередачи 230 кВ на подстанции Tesla компании PG&E в феврале 1971 года и прослужило шесть лет. [6] В 2017 году Джордж получил премию IEEE Halperin Electric Transmission and Distribution Award. [7] Награда была вручена за «новаторскую разработку и практическую демонстрацию защитной релейной защиты электроэнергетических систем с использованием цифровых компьютерных технологий реального времени». Джордж был председателем комитета IEEE по релейной защите и управлению энергосистемами (PSRC) (1981–1982), а также членом «Подкомитета по компьютерной релейной защите», созданного PSRC в 1971 году и расформированного в 1978 году. Он написал предисловие к учебному пособию PSRC по компьютерной релейной защите, выпущенному в 1979 году.
В 1971 году М. Рамамурти впервые описал [8] расчет импеданса для дистанционной защиты с использованием дискретного анализа Фурье .
Первое практическое коммерчески доступное цифровое/цифровое реле на основе микропроцессора было создано Эдмундом О. Швейцером III в начале 1980-х годов. SEL , AREVA и ABB Group были ранними предшественниками, сделавшими некоторые из ранних рыночных достижений в этой области, но сегодня эта область переполнена многими производителями. В защите линий электропередачи и генераторов к середине 1990-х годов цифровое реле почти заменило твердотельное и электромеханическое реле в новых конструкциях. В распределительных приложениях замена цифровым реле происходила немного медленнее. Хотя подавляющее большинство реле фидеров в новых приложениях сегодня являются цифровыми, твердотельное реле все еще находит некоторое применение там, где простота применения позволяет использовать более простые реле, что позволяет избежать сложности цифровых реле.
Защитные элементы относятся к общей логике, окружающей контролируемое электрическое состояние. Например, дифференциальный элемент относится к логике, необходимой для контроля двух (или более) токов, нахождения их разницы и отключения, если разница выходит за пределы определенных параметров. Термины элемент и функция во многих случаях вполне взаимозаменяемы.
Для простоты на однолинейных схемах функция защиты обычно идентифицируется номером устройства ANSI . В эпоху электромеханических и твердотельных реле любое реле могло реализовать только одну или две защитные функции, поэтому полная система защиты может иметь много реле на своей панели. В цифровом/числовом реле многие функции реализуются программированием микропроцессора. Любое числовое реле может реализовать одну или все эти функции.
Список номеров устройств можно найти на странице ANSI Device Numbers . Сводка некоторых общих номеров устройств, встречающихся в цифровых реле: