В коммунальных и промышленных системах передачи и распределения электроэнергии числовое реле представляет собой компьютерную систему с программными алгоритмами защиты для обнаружения электрических неисправностей . [1] Такие реле также называют реле защиты микропроцессорного типа. Они являются функциональной заменой электромеханических реле защиты и могут включать в себя множество функций защиты в одном устройстве, а также обеспечивать функции измерения, связи и самотестирования.
Цифровое реле защиты — это защитное реле , которое использует микропроцессор для анализа напряжений, токов или других технологических величин энергосистемы с целью обнаружения неисправностей в электроэнергетической системе или системе промышленного процесса. Цифровое реле защиты также можно назвать «цифровым реле защиты».
Сигналы низкого напряжения и слабого тока (т. е. на вторичной обмотке трансформаторов напряжения и трансформаторов тока ) подаются в фильтр нижних частот , который удаляет частотное содержимое, превышающее примерно 1/3 частоты дискретизации (релейный аналого-цифровой преобразователь должен производить выборку). быстрее, чем в два раза 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 ( СКЗ и некоторая форма усреднения), будет использоваться в простой функции реле. Более продвинутый анализ может использоваться для определения фазовых углов , мощности , реактивной мощности , импеданса , искажений формы сигнала и других сложных величин.
Для большинства алгоритмов защиты необходим только фундаментальный компонент, если только не используется высокоскоростной алгоритм, который использует данные субцикла для отслеживания быстро меняющихся проблем. Затем дискретизированные данные пропускаются через фильтр нижних частот, который численно удаляет частотный состав, превышающий интересующую основную частоту (т. е. номинальную частоту системы), и использует алгоритмы преобразования Фурье для извлечения величины и угла основной частоты.
Реле анализирует результирующие выходные данные аналого-цифрового преобразователя, чтобы определить, требуются ли действия в соответствии с его алгоритмом(ами) защиты. Алгоритмы защиты представляют собой набор логических уравнений, частично разработанных инженером по защите, а частично разработанным производителем реле. Реле способно применять расширенную логику. Он способен анализировать, должно ли реле сработать или удержаться от отключения, на основе параметров, установленных пользователем, по сравнению со многими функциями его аналоговых входов, контактных входов реле, времени и порядка последовательностей событий.
При обнаружении неисправности выходные контакты срабатывают, отключая соответствующий автоматический выключатель(и).
Логика настраивается пользователем и может варьироваться от простого изменения 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 за сотни километров.
Реле может иметь обширный набор настроек, помимо 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 собирать отчеты о событиях с реле.
В некоторых реле сохраняется краткая история всех выборочных данных для осциллографических записей. Запись событий будет включать в себя некоторые средства, позволяющие пользователю видеть время принятия ключевых логических решений, изменения реле ввода-вывода (вход/выход) и видеть, в осциллографической форме, по крайней мере, фундаментальную составляющую входящих аналоговых параметров.
Цифровые/цифровые реле обеспечивают дисплей на передней панели или дисплей на терминале через интерфейс связи. Используется для отображения настроек реле, 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 . Коммуникационные порты 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 противодействуют натяжению пружин в реле. Натяжение пружины и постукивания по электромагнитным катушкам в реле – это основные процессы, с помощью которых пользователь настраивает такое реле.
В твердотельном реле формы входного напряжения и тока контролируются аналоговыми цепями, а не записываются или оцифровываются. Аналоговые значения сравниваются с настройками, выполненными пользователем с помощью потенциометров в реле и, в некоторых случаях, с помощью отводов на трансформаторах.
В некоторых твердотельных реле часть логики реле выполняет простой микропроцессор , но эта логика фиксирована и проста. Например, в некоторых твердотельных реле максимального тока входящий переменный ток сначала преобразуется в небольшой сигнал переменного значения, затем переменный ток подается в выпрямитель и фильтр, который преобразует переменный ток в значение постоянного тока , пропорциональное форме сигнала переменного тока. Операционный усилитель и компаратор используются для создания постоянного тока, который повышается при достижении точки срабатывания. Затем относительно простой микропроцессор выполняет медленное аналогово-цифровое преобразование сигнала постоянного тока, интегрирует результаты для создания характеристики кривой сверхтока по времени и отключается, когда интегрирование превышает заданное значение. Хотя это реле имеет микропроцессор, ему не хватает атрибутов цифрового/числового реле, и, следовательно, термин «микропроцессорное реле» не является однозначным.
Цифрово-числовое реле было изобретено Джорджем Рокфеллером. [2] Джордж задумал это в своей магистерской диссертации в 1967–68 годах в Ньюаркском инженерном колледже. [3] Он опубликовал свою основополагающую статью « Защита от неисправностей с помощью цифрового компьютера» [4] в 1969 году. Компания Westinghouse разработала первое цифровое реле с Prodar 70 [5] , разрабатывавшееся в период с 1969 по 1971 год. Оно было введено в эксплуатацию на линии электропередачи 230 кВ. на подстанции Tesla компании PG&E в феврале 1971 года и проработал шесть лет. [6] В 2017 году Джордж получил премию IEEE Halperin в области передачи и распределения электроэнергии. [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 реле и управлению энергосистемами (PSRC) (1981–1982), а также членом «Подкомитета по компьютерным ретрансляциям», который был создан PSRC в 1971 году и распущен в 1978 году. Он написал предисловие к книге учебное пособие PSRC по компьютерной ретрансляции, выпущенное в 1979 году.
В 1971 году М. Рамамурти первым описал [8] расчет импеданса для дистанционной защиты с использованием дискретного анализа Фурье .
Первое практическое коммерчески доступное цифровое/числовое реле на базе микропроцессора было создано Эдмундом О. Швейцером III в начале 1980-х годов. SEL , AREVA и ABB Group были первыми предшественниками, сделавшими некоторые первые шаги на рынке на этой арене, но сегодня арена стала переполнена многими производителями. В защите линий электропередачи и генераторов к середине 1990-х годов цифровые реле почти заменили твердотельные и электромеханические реле новой конструкции. В распределительных приложениях замена цифровым реле происходила немного медленнее. Хотя подавляющее большинство фидерных реле в новых приложениях сегодня являются цифровыми, твердотельные реле по-прежнему находят некоторое применение там, где простота применения позволяет использовать более простые реле, что позволяет избежать сложности цифровых реле.
Защитные элементы относятся к общей логике контролируемого электрического состояния. Например, дифференциальный элемент относится к логике, необходимой для контроля двух (или более) токов, определения их разницы и отключения, если разница выходит за пределы определенных параметров. Термины «элемент» и «функция» во многих случаях вполне взаимозаменяемы.
Для простоты однолинейных схем функция защиты обычно обозначается номером устройства ANSI . В эпоху электромеханических и твердотельных реле любое реле могло реализовывать только одну или две защитные функции, поэтому полная система защиты может иметь на панели множество реле. В цифровом/цифровом реле многие функции реализуются программированием микропроцессора. Любое цифровое реле может реализовывать одну или все из этих функций.
Список номеров устройств можно найти на странице «Номера устройств ANSI» . Краткое изложение некоторых общих номеров устройств, встречающихся в цифровых реле: