Функциональная надежность микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики

2. Тер-Саркисов P.M. Новый этап в изучении газожидкостных потоков в вертикальных трубах / P.M. Тер-Саркисов. Р.С. Сулейманов. С.Н. Бузинов и др. // Газовая промышленность, 2006. № 3. С. 64-67.

3. Точигин А.А. Прикладная гидродинамика газожидкостных смесей / А.А. Точигин, Г. Э. Одишария. М.: Газпром ВНИИГАЗ; Ивановский государственный энергетический университет, 1998. 400 с. 4.

4. Жмаева О.В. Анализ эффективности применяемых методов интенсификации добычи углеводородов на Совхозном месторождении. Вестник науки и образования, 2018. 7(43), 22-25.

5. Жмаева О.В. Обоснование применения методов повышения коэффициентов извлечения и интенсификации добычи УВС на Совхозном месторождении. Наука и образование сегодня, 2018. 12(35), 27-29.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ

Холодов С.С.

Холодов Степан Сергеевич - студент, Электроэнергетический институт Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск

Аннотация: в статье рассматриваются функциональная надежность микропроцессорных устройств релейной защиты, статистические денные об отказах данного оборудования. Проведено сравнение аппаратной и функциональной надежности микропроцессорных устройств релейной защиты.

Ключевые слова: микропроцессорные устройства релейной защиты, аппаратная надежность, функциональная надежность, показатели надежности.

Введение

Какими бы надёжными ни были электроэнергетические системы, в них неизбежно возникают повреждения и ненормальные режимы, которые в свою очередь могут приводить к возникновению аварий. Из-за дефицита времени и необходимости высочайшей точности действий в условиях аварий, управление осуществляется автоматически с помощью устройств релейной защиты и автоматики (РЗА).

Релейная защита — это огромная управляющая система, представляющая собой совокупность, согласованно и целенаправленно действующих, взаимосвязанных элементов и автоматических устройств [1]. Она охватывает практически все основные элементы электроэнергетической системы, от генераторов до приёмников электрической энергии.

Основными требованиями, применяемыми к комплексам релейной защиты и автоматики, являются селективность, чувствительность, быстродействие и надежность [2].

Последние два десятка лет в электроэнергетике осуществляется интенсивный переход от электромеханических устройств релейной защиты к микропроцессорным. Причем этот переход осуществляется не только по мере строительства новых энергетических объектов, но и путем замены старых электромеханических реле защиты на подстанциях, построенных еще в те годы, когда никто даже не предполагал использование в них микропроцессорных устройств. Данные устройства имеют множество преимуществ по сравнению с микроэлектронными, или электромеханическими устройствам РЗА.

Структура микропроцессорных устройств РЗА

Микропроцессорные устройства РЗА различного назначения имеют много общего, а их структурные схемы очень похожи. Центральным узлом цифрового устройства является микропроцессор, который через свои устройства ввода-вывода обменивается информацией с периферийными узлами. С помощью этих дополнительных узлов осуществляется сопряжение микропроцессора с внешней средой: датчиками исходной информации, объектом управления, оператором и т. д. Структурная схема микропроцессорного устройства релейной защиты представлена на рисунке № 1.

Рис. 1. Структурная схема микропроцессорного устройства РЗА

Непременными узлами микропроцессорного устройства РЗА являются входные и и выходные КЬ преобразователи сигналов, тракт аналого-цифрового преобразования И6, И7, дисплей Н для отображения информации и блок питания И5. Современные цифровые устройства, как правило, оснащаются и коммуникационным портом XI для связи с другими устройствами.

Основные функции вышеперечисленных узлов следующие:

Входные преобразователи обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей от внутренних цепей устройства. Одновременно, входные преобразователи осуществляют приведение контролируемых сигналов к единому виду и нормированному уровню. Одновременно производится частотная фильтрация и защита внутренних элементов устройства от воздействия помех и перенапряжений.

Различают преобразователи входных сигналов аналоговые и дискретные (логические). Первые стремятся выполнить так, чтобы обеспечить линейную передачу контролируемого сигнала во всем диапазоне его изменения. Преобразователи дискретных сигналов, наоборот, стремятся сделать чувствительными только к узкой области диапазона возможного нахождения контролируемого сигнала.

Воздействия устройства на защищаемый объект традиционно осуществляется в виде дискретных сигналов управления. При этом выходные преобразователи устройства защиты обеспечивают гальваническую развязку коммутируемых цепей как между собой, так и относительно внутренних цепей устройства РЗА.

Тракт аналого-цифрового преобразования включает мультиплексор Ш и собственно аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — Ш. Данное устройство осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой, для его восприятия микропроцессором.

Блок питания И5 обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы рассматриваемого устройства, независимо от возможных изменений напряжения в питающей сети.

Дисплеи и клавиатура позволяют оператору получить информацию от устройства, изменять режим его работы, вводить новую информацию.

Коммуникационный порт обеспечивает возможность телеуправления, взаимодействия с другими устройствами и интеграции в интеллектуальные системы, такие как АИСКУЭ и АСУТП.

Практически вся обработка информации в любом цифровом устройстве осуществляется внутри микропроцессора по определенному алгоритму, реализованному в виде программы работы.

Центральный управляющий и решающий блок называется центральным процессорным устройством или просто процессором. Как видно из структурной схемы, процессор в качестве самостоятельного узла не применяется.

Для его работы требуется внешнее запоминающее устройство, где хранится программа, которую необходимо выполнить. В микропроцессорных РЗА основная программа записывается в постоянном

запоминающем устройстве (ПЗУ), а для хранения переменных и промежуточных данных применяется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Надежность микропроцессорных устройств РЗА

Одним из основных требований, применяемых к устройствам релейной защиты и автоматики, является надежность [2]. Надёжность — это свойство релейной защиты, характеризующее её способность действовать правильно и безотказно при всех видах повреждений и ненормальных режимов, для действия при которых данная защита предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной защиты не предусмотрено [3]. Иными словами, надёжность — это свойство релейной защиты, характеризующее ее способность выполнять свои функции в условиях эксплуатации, ремонта, хранения и транспортировки.

Основными показателями надёжности являются время безотказной работы и интенсивность отказов — количество отказов за единицу времени.

К работе релейной защиты предъявляются следующие требования:

• Не срабатывать при отсутствии аварии в системе

• Не срабатывать при повреждениях вне зоны действия защиты

• Срабатывать при повреждениях на защищаемом объекте

В отдельных случаях перечисленные требования нарушаются, тогда говорят, что защита отказывает в функционировании, т.е. проявляется фактор случайности и неопределенности в ее работе. Возможны следующие основные виды отказов в функционировании:

• Ложные срабатывания

• Излишние срабатывания

• Отказы в срабатывании

Элементы случайности и неопределенности в работе защиты могут проявляться в результате разных факторов, которые принято делить на две группы:

• Проявляющиеся в исправной и правильно настроенной защите

• Возникающие при появлении неисправностей или неправильной настройке.

Обычно при неправильных действиях релейной защиты необходимо определить причину таких действий. Чаще всего отказы функционирования устройств РЗА возникают по следующим причинам:

• Из-за низкого технического совершенства

• Из-за ошибок проектантов или обслуживающего персонала

• Из-за возникновения неисправностей в схеме защиты

Современные микропроцессорные устройства РЗА представляют собой систему из двух частей - аппаратной и программной. Особенностью аппаратной надежности является наличие распределенных во времени этапов с различными значениями интенсивностей отказов. На рисунке № 2 представлен примерный график зависимости интенсивности отказов от времени работы для микропроцессорных РЗА.

На этапе приработки (I) наблюдаются высокие значения интенсивностей отказов как для аппаратной, так и для функциональных составляющих. Далее вследствие отказов элементов устройства, не прошедших период приработки, на этапе нормальной эксплуатации (II) значения аппаратной интенсивности отказов стабилизируется. На этапе старения (III) в силу износа оборудования происходит значительное увеличение интенсивности отказов.

Для функциональной надежности график интенсивности отказов выглядит иначе. Особенностью функциональной надежности является то, что со временем она только увеличивается, благодаря системе исправления ошибок [4]. А, следовательно, и значение интенсивности отказов уменьшается с течением времени работы устройства.

л

I II

\

III

Ап паратная

Функциональная

Рис. 2. График изменения интенсивности отказов

Применительно к отказам по причинам не достаточной программной надежности можно отметить, что ошибки, возникающие в программной части микропроцессорного устройства, могут быть вызваны определенным набором входных данных, не предусмотренных на этапе проектирования. Такие ошибки можно назвать неявными. В таком случае вероятность ошибки характеризуется вероятностью возникновения непредусмотренного набора входных данных - вероятностью инициирующего события, и числом неявных ошибок.

Нельзя также исключать наличия ошибок кодирования - явных ошибок. В этом случае ошибка будет возникать каждый раз при запуске программного модуля. И вероятность неправильной работы по причине явных ошибок определяется числом явных ошибок и частотой запуска модуля, несущего в себе ошибку такого типа.

В системе программной надёжности так же следует выделить человеческий фактор. В структуре разработки программного обеспечения этому компоненту надежности можно сопоставить этап документирования. К сожалению, на данный момент документация не всегда достаточно точно и полно отображает все аспекты эксплуатации. В связи с этим могут возникать ошибки по причине человеческого фактора. Конечно, они обусловлены не только недостатками документации, сказываются также факторы сложности интерфейсов, недостаточного уровня обучения персонала и т.д. Заключение

Мировая и отечественная практика свидетельствует, что будущее за устройствами релейной защиты и автоматики на микропроцессорной (МП) элементной базе, а, следовательно, и вопрос надежности этих устройств является актуальным и важным на данное время.

Необходимо использовать комплексный подход при разработке данного вопроса и изучать все возможные факторы, способные повлиять на надежность столь важных устройств, как комплексы релейной защиты и автоматики.

Список литературы

1. Булычев А.В., Наволочный А.А. Релейная защита в распределительных сетях: Пособие для практических расчетов. М.: ЭНАС, 2011. 208 с.

2. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов. М.: Энергоатомиздат, 1998. 800 с.

3. Джаншиев С.И., Костин В.Н., Юрганов А.А. Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения: учебно-методический комплекс. СПб.: СЗТУ, 2010. 221 с.

4. Типкина А.П. Оценка программной надежности микропроцессорных релейных защит // Науковедение, 2015. № 2. С. 1-11.