НАДЁЖНОСТЬ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются функциональная надёжность микропроцессорных устройств релейной защиты, статистические данные об отказах устройств.

Ключевые слова: микропроцессорные устройства релейной защиты, функциональная надёжность, показатели надёжности.

Какой бы надёжностью не обладала электроэнергетическая система, со временем в ней начинают возникать различные повреждения и нарушения нормальных режимов работы, что может привести к аварийным ситуациям. При дефиците времени и важности оперативного принятия соответствующих мер в случае аварии желательно, чтобы управление осуществлялось в автоматическом режиме. Для этого используются специальные устройства релейной защиты и автоматика (РЗА).

Что такое система релейной защиты

К релейной защите относится огромный управляющий комплекс, который представляет собой согласованно и целенаправленно действующие, взаимосвязанные элементы и автоматические выключатели. Такие комплексы охватывают большинство основных элементов электроэнергетических систем, от генераторных установок до приёмников электроэнергии.

Основные требования, которые предъявляют к системам РЗА – возможность масштабирования, чувствительность датчиков, высокий уровень надёжности, моментальное реагирование.

В течение последних двух десятилетий в сфере электроэнергетики наблюдается стремительный переход от электромеханической релейной защиты к микропроцессорной. Причём данная тенденция касается как только строящихся энергетических объектов, так и уже существующих подстанций, которые были построены десятки лет назад, когда микропроцессорные устройства ещё не обрели широкого распространения. Замена старых реле защиты электромеханического типа обусловлена многочисленными преимуществами микропроцессорных комплексов перед микроэлектронными.

Конструктивные особенности микропроцессорных РЗА

Существуют различные виды микропроцессорных систем РЗА, которые имеют многие общие параметры, в том числе тип структурных схем. Как правило, микропроцессор – это центральный узел цифровых устройств, который посредством интерфейсов ввода-вывода осуществляет обмен данными с периферийными приборами. Последние дополнительные узлы осуществляют сопряжение микропроцессоров с внешней рабочей средой в виде датчиков исходной информации, объектами управления, операторами и пр.

Практически все операции по обработке информации в цифровых защитных устройствах осуществляется микропроцессором по определённым алгоритмам, реализованным в виде программного обеспечения. Центральный процессор отвечает за управление и подачу сигналов (команд) на тот или иной узел защитного комплекса.

Именно поэтому помимо процессора любая система РЗА оснащается другими основными узлами, в частности, внешними запоминающими устройствами для хранения выполняемой программы. В микропроцессорной РЗА основные программы обычно записывают в постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), а переменные и промежуточные данные хранятся в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ).

К обязательным элементам микропроцессорных устройств РЗА также можно отнести:

• преобразователи сигналов;
• аналого-цифровые преобразователи;
• дисплей, клавиатура;
• блоки питания;
• разъёмы связи.

Показатели надёжности микропроцессорных систем РЗА

Одно из важнейших требований, которые предъявляют к комплексам релейной защиты и автоматики – надёжность. Данное свойство показывает правильность и безотказность работы систем при различных повреждениях и ненормальных режимах, для защиты при которых и предназначены конкретные устройства. Благодаря уникальным алгоритмам некоторые РЗА могут срабатывать даже при поломках и нарушениях нормальных режимов функционирования, для которых они не предназначены. Если говорить коротко, то надёжность характеризует способности систем релейной защиты выполнять поставленные задачи при эксплуатации, ремонте, хранении и транспортировке.

К основным показателям надёжности можно отнести время безотказного функционирования и степень интенсивности отказов (число отказов за определённый временной промежуток).

К работе комплексов РЗА предъявляют ряд требований:

• если система работает без аварий, защитные устройства должна находиться в режиме ожидания;
• если повреждения произошли за границами зоны действия, РЗА должна находиться в состоянии готовности;
• если на защищаемых объектах происходят какие-либо повреждения, защитный комплекс должен мгновенно срабатывать для минимизации негативных последствий (вплоть до порчи имущества и гибели людей).

В некоторых случаях вышеперечисленные требования могут быть нарушены – в таких ситуациях защита даёт отказ в функционировании (обычно это случается из-за фактора случайности или неопределенности в работе комплекса РЗА). Среди наиболее распространённых причин отказов можно выделить:

• ложное срабатывание (если аварий в системе нет);
• излишнее срабатывание (когда имеются повреждения за пределами действия релейной защиты);
• отказ срабатывания (если имеются повреждения на защищаемых объектах).

Случайность или неопределённость в работе РЗА может проявляться из-за различных факторов, которые подразделяются на два вида:

• те, которые проявляются при полной исправности и правильной настройке защиты;
• те, которые возникают из-за неисправности или некорректной настройки.

Если релейная защита действует не по заданному алгоритму, требуется как можно скорее определить причины подобных нарушений. Зачастую отказ в функционировании РЗА возникает в трёх ситуациях:

• при низком техническом совершенстве: здесь речь идёт о неблагоприятном сочетании событий, для которых система в принципе не предназначена;
• при ошибках проектировщиков, операторов;
• при возникновении неисправностей в схемах защиты.

Отказы в функционировании РЗА по причине ошибок

Большинство современных микропроцессорных устройств РЗА представляет собой систему, состоящую из аппаратной и программной части. Особенность аппаратной части защиты – распределённые во времени этапы, которые могут иметь различную интенсивность отказов.

На стадии приработки интенсивность отказов повышена для каждой части защитной системы. В дальнейшем при отказах элементов РЗА, которые не смогли выдержать приработку, при нормальном функционировании аппаратная интенсивность отказов стабилизируется. На стадии старения вследствие естественного временного износа устройств наблюдается существенное повышение интенсивности отказов.

Если говорить о функциональной надёжности, то динамика интенсивности отказов имеет несколько другой вид. Главная особенность программной надёжности – постоянное увеличение с течением времени, что обусловлено системой исправления ошибок. Благодаря этому со временем наблюдается уменьшение интенсивности отказов работы защитных устройств.

Рассматривая отказы, причиной которых становится недостаточная программная надёжность, можно заметить тенденцию, что погрешности в работе программной части микропроцессорных устройств часто возникают при определённом наборе входных данных, которые не предусмотрены при проектировании. Данные ошибки называют неявными. В таких случаях вероятность ошибок определяется вероятностью возникновения непредусмотренных наборов входных данных (инициирующее событие) и количеством неявных погрешностей.

Также не стоит исключать ошибки в кодировании, которые считаются явными. В данном случае огрехи будут постоянно возникать во время запуска программных модулей. Вероятность неправильного срабатывания программной части РЗА из-за явных ошибок зависит от их числа и частоты запуска модулей, несущих в себе конкретные огрехи.

Исправность надёжности программной части также зависит от человеческого фактора. При разработке программного обеспечения данный компонент надёжности определяется на этапе документирования. К сожалению, сегодня рабочая и техническая документация не всегда позволяет полноценно и точно отображать каждый аспект эксплуатации РЗА. Из-за этого также могут часто появляться ошибки. Конечно, они связаны не только с недочётами документации, но и со сложностью программного интерфейса, недостаточным уровнем обучения обслуживающего персонала и др.

Заключение

Практика мировых и отечественных предприятий электроэнергетической системы свидетельствует о том, что в будущем устройства релейной защиты и автоматики на микропроцессорных комплексах будут обретать всё большую востребованность, поэтому вопрос надёжности данных устройств является одним из наиболее актуальных и важных. Чтобы повышать надёжность столь важных систем защиты как РЗА, требуется применять комплексный подход к разработке, изучать и минимизировать вероятность всевозможных факторов, снижающих эту надёжность.

Список литературы:

1. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов. М.: Энергоатомиздат, 1998. — 800 с.
2. Типкина А.П. Оценка программной надёжности микропроцессорных релейных защит // Науковедение, 2015. №2. С. 1
3. Булычев А.В., Наволочный А.А. Релейная защита в распределительных сетях: Пособие для практических расчётов. М.: ЭНАС, 2011. 208 с.