Защита от прекъсване на захранването

Съвременни комуникационни технологии

Защитата на разпределителните мрежи се изправя пред нови предизвикателства, свързани с увеличаване на размера на разпределеното производство на електроенергия. Въпреки, че настоящата технология осигурява задоволителни решения за управление на тази нова ситуация, защитата от прекъсване на захранването все още се счита за проблематична.
Предложеното решение в тази статия на списание ЕНЕРГИЯ се фокусира върху използването на релейна диференциална защита на електропровод. По своята същност то съдържа подходящ канал за комуникация и осигурява абсолютно селективна защита за извода.

Делът на разпределеното производство нараства бързо. Освен екологичните аспекти, по-краткият период за строителство се счита като основна движеща сила за ускоряване на развитието му. Навсякъде по света в момента се използват огромни научноизследователски и развойни ресурси за разработването на редица нови технологии за разпределено производство на енергия. Обикновено тези технологии са довели до модулни и относително малки производствени единици с мощност от 10kW до около 10-20MW, разположени в близост до консуматора на енергия. На практика това означава, че електроразпределителната мрежа трябва да приеме и да бъде в състояние да управлява разпределеното производство.

Съвременната тенденция при комуникацията между точките на защита е към използването на оптични влакна. По отношение на една диференциална защита на електропровод, това означава бърза комуникационна връзка с висок капацитет, която дава възможност за осъществяване на множество разширени функции за защита. В допълнение се предлага солидна основа за такава комуникационна връзка от новия стандарт IEC61850 и Ethernet технологиите.

Традиционно, никога не е обичайна практика генераторът да се свързва директно към разпределителните мрежи, като по този начин индустрията се изправя пред нови предизвикателства. Една от областите, изискващи особено внимание, е защитата на системата. Ако трябва да се постигне адекватна защита, трябва да бъдат взети под внимание всички възможни аварии и условията за експлоатация, а това не е толкова лесно, колкото изглежда. За справяне с тази нова ситуация са разработени и представени много нови подходи и технологии. По отношение на защитата от прекъсване на захранването, добро общо решение просто не е на разположение. Предложен е нов подход, който се базира на модерна релейна диференциална защита на електропровод. Първо се дава общ преглед на разпределеното производство на електроенергия, заедно с различни проблеми, свързани със защитата, и това е последвано от въвеждане и пример за използването на нов подход.

Технологии
Сред различните форми на разпределеното производство на електроенергия, вятърната енергетика е най-бързо нарастващата технология. Вятърната технология за производство на енергия се развива бързо и мощността на генераторите се увеличава от под 1kW до над 5MW. В диапазон на мощността под 1MW, типичният дизайн включва фиксирана скорост на регулируема вятърна турбина с асинхронен двигател. За да издържат на механичното натоварване, повечето вятърни турбини над 1MW са оборудвани със система за променлива скорост, включваща силова електроника в комбинация с контрол на отварянето на лопатките.

Други широко използвани технологии за разпределеното производство на електроенергията са фотоволтаиците (PV), буталните двигатели и инсталациите за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия. От тях буталните двигатели и инсталациите представляват конвенционална технология, при която се използва синхронен генератор. Фотоволтаиците представляват модерна технология, при която за връзка с мрежата се използва силова електроника. Фотоволтаичният панел произвежда постоянен ток, който е правопропорционален на слънчевата радиация. Преди генерираният ток да се подаде към мрежата, той първо се подава на DC/DC конвертор, за да се постигне желаното ниво на напрежение и след това към DC/АC конвертор, за да се получи желания AC изход. Подобен подход е възприет и при други технологии, които все още са в ранните си стадии на развитие, като например горивните клетки.

От гледна точка на разпределителната мрежа, генераторите могат да се разглеждат като източници на енергия с различни характеристики. Според тези характеристики могат да бъдат категоризирани три основни типа, в зависимост от свързаното устройство: асинхронен генератор, синхронен генератор и инвертор.

Първите два от тях представляват традиционна технология. Въпреки това, поради разпределеното производство на енергия (РПЕ) се увеличава използването на асинхронни машини като генератори. В сравнение със синхронните генератори, асинхронните имат само ограничени възможности, когато става дума за ток на късо съединение в ситуации на аварии. Това трябва да се вземе под внимание при защитата на мрежата. РПЕ, включващи инвертори, представляват нова технология, която впоследствие е довела до преоценка на дизайна на системата за защита. Един основен недостатък на тези видове генератори е, че те обикновено не са в състояние да произведат значителен ток на късо съединение. В IEC стандартите се предполага, че тока на късо съединение на инвертора е три пъти от номиналния ток. Въпреки това, в много случаи максималния ток при авария е ограничен до около два пъти номиналния ток, за да не се повредят чувствителните силови електронни компоненти.

Защита на енергийни системи, съдържащи разпределено производство на електроенергия
От техническа гледна точка, свързването на генераторите към разпределителната мрежа е предизвикателство. Основната причина за това е, че разпределителните мрежи обикновено не са проектирани за свързване на генератори към тях. Например, традиционната релейна защита на мрежата средно напрежение (СрН) се основава на факта, че ток на късо съединение се подава само от една посока. Увеличаващият им се дял означава, че топологията на мрежата се ориентира към пръстен или дори отворена система. Когато се добави разпределено производство на електроенергия към типична разпределителна мрежа, потенциалните проблеми могат да възникнат по две основни причини.

При управление на нивото на мрежовото напрежение трябва да бъдат взети под внимание ефектите от РПЕ. Необходими са подробни изследвания и дори някои модерни решения за постигане на правилното функциониране на защитата.

Тази статия разглежда само проблемите, свързани със защитата, и най-често срещаните са: погрешно изключване на изводи (близко изключване); нежелано изключване на производствените единици, невидими за защитата; увеличаване или намаляване на нивата на неизправности; нежелана изолирана (островна) работа; забрана за автоматично повторно включване; повторно включване без синхронизация.

Появата на този тип проблеми зависи от характеристиките на мрежата, както и тези на разпределеното производство. При късо съединение се генерира ток, който е силно зависим от вида на генератора и конфигурацията на мрежата. Текущата технология за защита в повечето случаи предлага задоволителни решения, но защитата от загуба на захранване все още се счита за проблематична.

Понеже разпределените генератори, притежавани от независими производители на електроенергия, обикновено не са предназначени за островна работа, защитата от прекъсване на захранването е необходима част от системата за защита. Освен това се счита за необходима и от гледна точка на безопасността на персонала. Тази защита обикновено изисква специални мрежови правила или специфични правила за взаимно свързване на РПЕ.

Правилата и насоките варират от страна до страна, но често се дават изисквания, подобни на следните:
РПЕ трябва да бъде изключен от мрежата в случай на отклонения в напрежението или честотата. Ако една или повече фази са изключени от захранващата мрежа, всички РПЕ генератори трябва да бъдат изключени бързо от мрежата. Ако се използва автоматично повторно включване, РПЕ генераторите трябва да бъдат изключени преди повторното включване, за да се осигури достатъчно време за гасене на дъгата при авария.

Изглежда РПЕ са несъвместими с настоящите практики за повторно включване. При определени условия, РПЕ може да попречи на гасенето на дъгата, което означава, че временната авария ще стане постоянна. По време на мъртвото време при последователността от повторното включване, генераторите в мрежата обикновено са склонни да излязат от синхронизация с мрежата. Въпреки това, повторно включване без синхронизиране, което е обичайна практика, може сериозно да навреди на генераторите и да внесе големи токове и високи напрежения в съседната мрежа.

През последните години са били предложени и разработени много методи за откриване на островна работа. Двата широко използвани метода са скорост на изменение на честотата и промяна на посоката на вектора. На практика, тези методи са се превърнали в много чувствителни и водят до погрешно изключване, например поради големи аварии в съседната част от мрежата.

Техниките за откриване на прекъсване на захранване могат да бъдат разделени в три категории: пасивни методи; активни методи; методи базирани на комуникация.

При първия метод защитата се извършва, като се разчита единствено на наличните измервания. Обаче големият недостатък на пасивните методи за откриване е т. нар. зона на нечувствителност. С други думи, пасивните методи не са в състояние да открият островна работа на генератор, ако несъответствието в захранващото напрежение на свързания прекъсвач, създаващ острова, е малко. Активните методи предизвикват "активно" смущение в напрежението. Тези методи са особено подходящи за генератори, които са базирани на мрежови инвертори.

Третата категория методи за откриване на прекъсване в захранването се базират на комуникация. При схемата за прехвърляне на изключването, релето на извода, намиращо се в подстанцията, изпраща сигнал за изключване на РПЕ, разположени по протежение на електропровода. За тази цел е необходим подходящ канал за комуникация.

Най-модерното решение, предложено в тази статия, е използването на релейна диференциална защита на електропровода. По своята същност тя съдържа подходящ канал за комуникация и осигурява абсолютно селективна защита за извода. Освен това, тя предпазва релета на изводите от погрешно изключване в случай на авария по съседен извод.

Диференциална защита на електропровод
Схемата на диференциалната защита на електропровод предлага защитна функционалност на извод при проблем. Този тип напълно селективна защита осигурява идеална основна защита за свързаните по между си РПЕ генератор и разпределителната мрежа на СрН. В зависимост от използвания принцип на системата за заземяване, диференциалната защита на електропровода трябва да бъде допълнена с подходящи защитни функции за земно съединение за постигане на необходимата чувствителност при земни съединения. В случай, че свързващия електропровод е въздушна линия, необходимо е също да бъде разгледан въпроса за автоматично повторно включване.

Комуникационен канал на защитата
Схемата на диференциалната защита на електропровод е разработена от обикновено механично реле до модерна, комуникираща, цифрова, разделена по фази, многофункционална защита и интелигентно електронно устройство (IED - Intelligent Electronic Device). Също така са се променили изискванията за канала за комуникация на защитата от галванична връзка, пренасяща само аналогови сигнали до оптична връзка, предаваща информация между краищата на електропровода в цифров формат. Тъй като честотната лента на оптична връзка е значително по-висока от тази на галваничната връзка, възможно е оптичната връзка също така да се използва и за предаване на друга информация.

Предаването на двоичен сигнал (BST) е функция, чрез която могат да се прехвърлят голям брой двоични сигнали от локалния до отдалечения край на електропровода и обратно. Тази функционалност използва комуникационния канал на диференциалната защита. Двоичните сигнали произхождат от вътрешните релейни логики или от външен източник и могат да бъдат използвани във вътрешните релейни логики в противоположния край на линията, или могат да се насочват от релето към външно устройство. Типични области на приложение за BST функционалността включват: предаване на команда за изключване, защитни схеми за блокировка или разрешаване, блокировка на управлението на първичните устройства и координация на автоматичното повторно включване.

Като критична връзка в схемата за защита, комуникационния канал на защитата се контролира постоянно. Всяка повреда в комуникацията, независимо от продължителността, веднага се долавя от релетата и те се задействат.

Хоризонтална комуникация в подстанция
Стандартът IEC61850 бързо печели значителни позиции в електроразпределителните дружества. IEC61850-8-1 определя т. нар. GOOSE (общо обектно-ориентирано събитие в подстанция) функционалност, докато някои класове характеристики на GOOSE съобщенията за различни приложения са посочени в IEC61850-5. Съвременните релейни защити с "естествено" вграден IEC61850 отварят възможности за разширяване на нов подход при проектирането на схеми за защита в цялата подстанция.