1.1.2. Применение системной методологии к релейной защите и автоматике электротяговых сетей

В рассматриваемой области защиты электротяговых сетей общая проблема, подлежащая решению – повреждения электротяговых сетей (ЭТС) и минимизация их последствий. Для её структурирования необходимо использовать по крайней мере три системных представления: структурное, процессуальное и функциональное. То есть надо рассмотреть:

1. структуру проблемосодержащей системы – ЭТС;

2. динамику процессов, приводящих к повреждениям, а также выявляющих и ликвидирующих повреждения;

3. функциональные связи, влияющие на повреждения, и способы защиты от них.

Структурированная таким образом проблема приводится к виду задачи выбора подходящих средств для достижения некоторых целей. Цель в системном анализе понимается как антипод проблемы: это то, что надо сделать для снятия проблемы (а решение – то, как это сделать). Очевидно, что идеальная цель защиты ЭТС – предупреждение повреждений и минимизация ущерба от тех видов повреждений, которые полностью исключить невозможно. Соответственно, общее решение проблемы защиты ЭТС – создание полной и целостной системы защиты на всех уровнях электротяговой сети.

Релейная защита и автоматика (РЗА) ЭТС должна строиться с учетом:

1. структурных связей по уровням ЭТС: надсистема – система – подсистема – элемент;

2. взаимосвязи системных представлений внутри каждого уровня: структура – функции – процессы;

3. синтеза систем на основе триады: цели – знания – ресурсы (средства).

Последовательная декомпозиция проблемосодержащей системы (ЭТС) позволяет определить потребность в защитах на каждом из ее структурных уровней, а также функционально–процессуальные требования к каждой элементарной защите. Структура электротяговой сети в общем случае может быть представлена пятью уровнями, показанными в табл. 1.2. При этом на каждом уровне декомпозиции основным вопросом является следующий: какие функции защиты и автоматики должны выполняться на этом уровне, а какие – на более низких уровнях. Исходя из выявленных функционально-процессуальных требований к РЗА ЭТС должны выбираться адекватные средства их реализации. Основные результаты такой проработки также приведены в табл. 1.2.

В табл. 1.2 использованы следующие обозначения:

УРОВ – устройство резервирования при отказах выключателя;

ЧАПВ – автоматическое повторное включение после отключения по АЧР;

ДифЗ – дифференциальная защита;

ЛЗШ – логическая защита шин;

ОЗЗ – однофазное замыкание на землю;

Т – понижающий трансформатор;

ТН – трансформатор напряжения.

Таблица 1.2

Структурное представление системы тягового электроснабжения

Уровни структуры ЭТС	Основные типы элементов данного уровня ЭТС	Основные функции РЗА	Средства РЗА
Межподстанционная зона	ТП + ПС + ППС + КС	ОМП, ВНСП	ИТП + каналы связи
Устройство электроснабжения	ТП, ПС, ППС	УРОВ, ЗП, АЧР, ЧАПВ, РПН	ИТП + "прямые связи"
Распределительное устройство	РУ-110 (220) кВ, РУ-27,5 кВ, РУ АБ и т.д.	ЗМН, ДифЗ, ЗЗ (ЗДЗ), ЛЗШ	ИТП + "прямые связи"
Присоединение	ФКС, ЗВ, ВВ, ДПР, Т, ТСН, УПК	ТО, МТЗ, ДЗ, АПВ, АВР, ОЗЗ, ЗОФ,…	Датчики + ИТП
Цепь (элемент, единица оборудования)	КС, шинки питания, вторичные цепи ТН и т.д.	Ограничение тока, напряжения и т.д.	Автомат, предохранитель

Рассмотрим основные требованиях к РЗА, отмеченные в табл. 1.2.

На уровне всей межподстанционной зоны, ограниченной смежными тяговыми подстанциями (ТП) и включающей секционированную контактную сеть (КС), посты секционирования (ПС) и пункты параллельного соединения (ППС), желательно выполнять следующие функции: определение места повреждения (ОМП) КС, восстановление нормальной схемы питания (ВНСП) КС. Все остальные задачи РЗА ЭТС могут быть решены на более низких уровнях.

На уровне устройств электроснабжения (ТП, ПС, ППС) должны выполняться специфические функции РЗА: общеподстанционные защиты и автоматика для электротяговой подстанции, общепостовые – для ПС либо общепунктовые – для ППС. Например, к общеподстанционным защитам и автоматике относятся:

схема УРОВ (устройства резервирования при отказах выключателя);

автоматическая частотная разгрузка (АЧР) и автоматическое повторное включение после частотной разгрузки (АПВЧР);

управление электроприводами устройств регулирования под нагрузкой (РПН) при автоматическом и ручном регулировании коэффициентов трансформации силовых трансформаторов;

защита от подпитки (ЗП) со стороны контактной сети коротких замыканий на линиях, питающих подстанцию.

Все эти функции требуют тщательной проработки и взаимного согласования.

На уровне тягового распредустройства РУ-27,5 кВ должна выполняться защита шин 27,5 кВ, а для варианта ЗРУ – ещё и защита от внутренних КЗ на корпус.

На уровне присоединений – РЗА конкретных фидеров.

На уровне элемента – защита конкретных элементов от перенапряжений и/или аварийных токов.

Для каждой элементарной функции РЗА необходимо применить вышеупомянутый алгоритм решения системных задач, который в данном случае порождает следующую общую методику разработки защиты:

1. уточнение целей и задач данной защиты;

2. выявление полной группы событий (в смысле их электротехнической сущности), соответствующих аварийным и неаварийным режимам;

3. определение пространства признаков (параметров), позволяющих оценить необходимость срабатывания или несрабатывания защиты;

4. конструирование критерия срабатывания и его проверка (статическая точность и устойчивость);

5. построение алгоритма работы защиты и его проверка (динамическая устойчивость срабатывания и несрабатывания);

6. разработка методики расчета уставок исходя из статической и динамической устойчивости критерия срабатывания;

7. аппаратно-программная реализация алгоритма и проведение испытаний устройства.

В целом реализация системного решения проблемы защиты ЭТС приводит к созданию соответствующих концепций, моделей, алгоритмов и устройств, их реализующих. Отдельные результаты этой работы представлены, например, в [1] – [3], [5]. Из всей этой совокупности вопросов в данной работе рассматриваются три наиболее важные с точки зрения эксплуатации группы вопросов:

концепция защиты ЭТС в целом и отдельных типов присоединений;

новый класс устройств, реализующих эту концепцию;

особенности эксплуатации этих устройств.

Этим вопросам посвящены соответственно три раздела данной работы.

Следует заметить, что рассматриваемая проблема в целом не является новой для энергетики [6], т.к. аналогичные разработки уже проведены и отечественная промышленность освоила производство нескольких комплексов устройств защит для распределительных сетей и различного рода энергообъектов (двигателей, генераторов, трансформаторов и т.д.). Наработанный опыт и отдельные удачные решения были, естественно, использованы при разработке функционального ряда микропроцессорных блоков РЗА ЭТС переменного тока напряжением 27,5 кВ [3], [5].

При этом наиболее существенным отличием нового класса устройств – интеллектуальных терминалов присоединений (ИТП) – от ранее использовавшихся является интеграция всех функций РЗА в пределах присоединения в одном ИТП. Это позволяет:

существенно сократить число типов используемых устройств;

наиболее эффективно решить проблему электромагнитной совместимости устройств;

минимизировать число связей и контактов и т.д.

Естественно, такая интеграция функций стала возможной только благодаря их программной реализации средствами микропроцессорной техники, являющейся элементной базой ИТП.