Fig. 3.3. Schema bloc a unei instalații de protecție prin relee 10 25 [602347]

CAPITOLUL III Sisteme numerice de protecție. Principii și soluții constructive 3.1.Generalități Un sistem de protecție prin relee este alcătuit din totalitatea dispozitivelor și aparatelor destinate să asigure deconectarea unei instalații la apariția unui defect sau regim anormal de funcționare periculos pentru instalație. Prin separarea automată a unei instalații defecte se urmăresc trei obiective: [17] -să împiedice dezvoltarea defectului și extinderea acestuia; -să preîntâmpine distrugerea izolației și a aparatelor întrerupând rapid toate posibilitățile de alimentare a locului de defectare; -să contribuie la restabilirea funcționarii normale pentru asigurarea alimentării consumatorilor de energie electrică. Releul electric de protecție este un aparat electric care execută închiderea, deschiderea sau comutarea unuia sau mai multor contacte la variații ale unor mărimi electrice aplicate la intrarea acestuia. De-a lungul timpului tehnica de protecție prin relee a suferit mai multe etape de dezvoltare prezentate în figura (3.1.).
Fig. 3.1. Dezvoltarea tehnicii de protecție prin relee În figura (3.2.) sunt reprezentate schema bloc și simbolul general pentru releul de protecție: Fig. 3.2. Schema bloc și simbolul general al releului de protecție 
ETAPA I Relee electromagnetice și de inducție alimentate în curent alternativETAPA II Relee electromagnetice polarizate și relee magnetoelectrice alimentate în curent continuuETAPA III Relee electronice și cu elemente semiconductoareETAPA IV Relee cu circuite integrate (micro procesoare și automate programabile)

Elementele ce compun schema bloc sunt: X – semnal de intrare Yn – semnale de ieșire S – element sensibil C – element comparator E – element de execuție Parametrii principali ai releelor: [17] -parametrii nominali (Un,In,fn,Zn, etc.) – mărimi ce pot fi suportate timp îndelungat de aparat; -valori de pornire – valori la care acționează releul; -valori de revenire – valoarea mărimii controlate la care elementele de execuție ale aparatului acționează decât la acționare; -factorul de revenire Krev – se consideră că un releu este cu atât mai bun cu cât Krev este mai aproape de 1; -timpul propriu de acționare al releului – timpul măsurat din momentul atingerii valorii de acționare până la emiterea mărimii de execuție (la ieșire). -puterea consumată de releu – este în raport invers cu sensibilitatea releului. Această mărime intervine la încărcarea circuitelor secundare și la calculul și alegerea transformatoarelor de măsură care alimentează schema (TC, TT); -puterea de rupere (capacitatea de comutare) – este puterea maximă din circuitul comandat prin contactele releului fără ca acesta să se deterioreze; -poziția normală a contactelor (normal deschis sau normal închis); -stabilitatea termică și electrodinamică – capacitatea aparatului de a suporta un timp limitat efectele curenților de scurtcircuit, fără consecințe negative; -eroarea releului – diferența dintre valoarea reală de acționare și valoarea reglată pentru acționare. Schema bloc de elemente a unei instalații de protecție prin relee este ilustrată în figura (3.3.), unde s-a considerat o protecție maximală de curent pentru o linie electrică aeriană conectată prin întreruptorul IL la barele sistemului electroenergetic.
Fig. 3.3. Schema bloc a unei instalații de protecție prin relee [10]
25

Elementele prezente în schemă sunt: -transformatorul de curent TC; -transformatorul de tensiune TT; -blocul de intrare BI; -mărimile M1 și M2; -blocul de prelucrare logică BPL; -blocul de ieșire BE; -blocul de temporizare BT; -blocul de alimentare BA. Schemele folosite în reprezentarea instalației de protecție prin relee pot fi: -scheme funcționale; -scheme bloc; -scheme logice – în care apar elementele din sistem în succesiunea logică a funcțiunilor îndeplinite. Cerințele impuse protecției prin relee sunt: -selectivitatea; -rapiditatea; -fiabilitatea; -independența față de condițiile de exploatare; -eficiența economică. Avantajele protecțiilor digitale (numerice) sunt următoarele: -rapiditatea în funcționare; -consum propriu redus ceea ce determina reducerea puterii surselor sau a transformatoarelor de măsură; -gabarit redus ce micșorează costul investiției; -cheltuieli reduse în exploatare și întreținere; -număr de acționari nelimitat și durata lungă de viață; -siguranță sportita în funcționare datorată lipsei contactelor și a pieselor în mișcare; -sensibilitate crescută; -posibilitatea tipizării subansamblelor sau utilizarea unor elemente logice normalizate cu posibilitatea înlocuirii rapide a elementelor defecte; -posibilitatea realizării unor relee cu funcțiuni multiple de protecție, comandă și măsurare; -integrarea sistemelor de protecție în sistemele complexe de conducere automată pentru instalațiile electroenergetice, cu funcții multiple “on-line”, respectiv “off-line”. Institutul Național American al Standardelor (ANSI) a concretizat o listă de coduri ce trebuie folosite pentru releele de protecție. Fiecare funție de protecție este indicată printr-un cod unic, cum ar fi 50 pentru protecție maximală de curent netemporizată și 59 pentru protecția maximală de tensiune. În tabelul (3.1.) sunte prezentate principalele coduri standardizate. În unele cazuri, codurile sunt alcătuite din cifre și litere pentru a se veni în ajutorul inginerului cu informații adiționale. De exemplu, 50N reprezintă o funcție de protecție maximală de curent homopolară bazată pe măsurarea curentului neutru. 26

3.2.Evoluția sistemelor de protecție numerice în condițiile unei piețe energetice moderne Integrarea releelor de protecție într-un sistem de control prin intermediul rețelei de comunicație a creat necesitatea comunicației dispecerului cu relee diferite. Într-o stație electrică pot fi diferite tipuri de relee, spre exemplu: relee maximale, relee de distanță, relee diferențiale etc., care trebuie să fie compatibile cu terminalul de achiziție a datelor de la dispecer. În asemenea situație un avantaj considerabil poate fi obținut prin utilizarea unei interfețe standardizate de comunicație pentru fiecare releu astfel încât dispecerul să utilizeze o singură metodă de transmitere a semnalelor și un singur protocol de comunicare. [17] Utilizarea unei platforme comune, standardizate pentur relee va deveni foarte importantă în acest mediu a dezvoltării. Prin utilizarea unei game a releelor care va avea o platforma comună va fi mult mai ușor să se mențină și să se dezvolte produse care să facă față cât mai eficient la cerințe diverse într-o continuă schimbare. Prin menținerea unei platforme comune, toată gama va fi menținută, iar procesul de dezvoltare va deveni continuu, platforma releelor fiind modificată pentru a face față în funcție de cerințele utilizatorilor și pentru a încorpora tehnologii noi. [17]

27

3.2.1.Platforma hardware [17] Platforma hardware a releelor moderne conține diferite module hardware, fiecare având sarcini distincte. Astfel pot fi module care să accepte intrări analogice de curent și tensiune sau semnale digitale, module care să permită ieșiri pe contacte, plăci cu unitatea procesoare care efectuează calcule și rulează soft-ul, modulul de alimentare etc. Diferite tipuri de relee sunt realizate prin selectarea tipului și numărului necesar de module hardware, de exemplu un număr suficient de module pentru transformatoare de măsură astfel încât să se realizeze funcția de protecție diferențială a generatorului, sau suficiente intrări analogice pentru a permite realizarea funcției de RAR cu verificarea sincronismului de către funcția protecției de distanță. 3.2.2.Platforma software [17] Releele de protecție numerice pot oferi o interfață c utilizatorul foarte prietenoasă atât la nivel local (prin intermediul panoului LCD al releului numit HMI – Human Machine Interface) la nivel de stație, pe calculatorul operatorului de stație, cât și la nivel de dispecer la calculatorul inginerului de întreținere, prin intermediul porturilor de comunicație și a protocoalelor dedicate acestui scop. În condițiile în care reducerea costurilor reprezintă unul din pricipalele deziderate ale marilor companii energetice actuale, furnizorii de echipamente trebuie să aleagă tehnologia optimă și să justifice raportul cost/beneficiu pentru fiecare nou produs. Pentru utilizatori, dezvoltarea tehnologiei nu poate fi un argument important în alocarea unor resurse materiale pentru înlocuirea unor echipamente care funcționează bine și și-au dovedit fiabilitatea în timp. Acest aspect va avea un rol important atunci când va face parte dintr-un sistem integrat. Previziunea unei mentenanțe integrate va juca un rol important în gestionarea unui sistem energetic. Releele de protecție au un rol important că echipament de sine stătător pentru controlul în timp real și vor implementa din ce în ce mai mult controlul local al sistemului prin intermediul întreruptoarelor. În acest rol releele numerice multifunctie oferă o mare flexibilitate și adaptabilitate în comparație cu releele unifunctie. Releele moderne trebuie de asemenea să contribuie la controlul și monitorizarea sistemului energetic pe o arie extinsă prin intermediul rețelelor de comunicație care sunt în funcțiune. Tendințele viitoare în protecția și controlul rețelelor eletroenergetice se vor baza tot mai mult pe abilitățile și posibilitățile rețelelor de comunicație de date. Prin conectarea împreună a releelor de protecție, sistemelor SCADA, a terminalelor de achiziție a datelor RTU și a centrelor de control, este posibil schimbul de informații între zonele separate de protecție și control ce conțin protecții tradiționale. 3.2.3.Protocoale de comunicație [17] Evoluția din ultimii ani a tehnologiei bazate pe microprocesoare a deschis noi dimensiuni în dezvoltarea protecțiilor digitale prin relee în sensul extinderii funcțiilor de protecție la nivelul unui singur echipament hardware. De asemenea apariția de noi protocoale de comunicație universale în scopul integrării într-un sistem distinct a protecțiilor digitale de la producători diferiți a extins gama de aplicații complexe la nivelul stațiilor electrice și la nivelul protecției liniilor electrice aeriene de transport. Protecțiile și sistemele de comandă control au avut un parcurs plin de schimbări profunde datorită introducerii microprocesoarelor și a comunicației digitale. Terminale inteligente și multifuncționale, așa numitele IED-uri (Intelligent Electronic Devices – Dispozitive Electronice Inteligente), au înlocuit echipamentele clasice alcătuite din o multitudine de 
28

componente electromecanice. Combinând protecțiile și dispozitivele de monitorizare și control precum și sistemele de automatizare integrate – sistem de tip LAN (Local Area Network), aceste echipamente reprezintă vârful tehnologiei pentru sistemele energeice actuale. Noul standard internațional IEC 61850 pentru comunicații de tip deschis în stațiile electrice a fost finalizat și a început deja să fie implementat în aplicații. Acest standard este singurul care acoperă comunicațiile de la toate cele trei nivele a echipamentului din stație: nivel stație, nivel celulă și nivel de proces. IEC 61850 dește un standard bazat pe un model comun de aplicare a funcțiilor de automatizare în stațiile electrice. Avantajele certe pe care le introduce acest nou protocol de comunicație sunt: -integrarea facilă a echipamentelor de protecție de la diverși producători datorită eliminării maparii manuale a semnalelor digitale de intrare/ieșire; -posibilitatea coexistenței cu diferite protocoale de comunicație din aceeași rețea; -dispozitivele de tip gateway și concentratoarele de date IEC 61850 permit integrarea sistemelor existente în stație datorită flexibilității lor în ceea ce privește configurarea. 3.3. Principii și soluții constructive ale unor relee de protecție 3.3.1. Releul de protecție TPU S420 – EF ACEC • Descriere și construcție TPU S420 este o protecție, dar și o unitate terminală de supraveghere și comandă pentru liniile aeriene sau subterane din rețelele electrice radiale de medie tensiune cu neutru izolat, compensat, solid sau limitat. Poate fi utilizat și pentru liniile de racordare ale micilor producători de energie electrică. În afară de aceste aplicații TPU S420 poate fi utilizat și că protecție de rezervă pentru alte echipamente, de exemplu pentru transformatoare sau linii de înalta tensiune. Releul de protecție include o gama largă de funcții de automatizare și protecție. Având și o plajă largă de opțiuni care pot fi configurate de utilizator, oferă o precizie ridicată în reglarea curenților și tensiunilor, parametrilor de timp și altor facilități opționale. Parametrii de protecție și de automatizare sunt independenți, unitatea suportând patru grupuri de reglaje pentru fiecare funcție. Afișajul integrat al TPU S420 permite reprezentarea unui tablou sinoptic prin intermediul căruia pot fi vizualizate stările dispozitivelor monitorizate și măsurile aferente. Sinopticul poate fi în totalitate definit de utilizator, ceea ce permite adaptarea afisajului la configurația celulei unde este instalată protecția. Pe panoul frontal, există, de asemenea, mai multe taste funcționale, care permit comenzi simple asupra protecției în funcție de cele mai întâlnite situații. Ca unitate terminală, TPU S420 realizează măsurarea precisă a curenților, tensiunilor, puterilor, factorilor de putere, energiei și frecvenței, și îndeplinește mai multe funcții de monitorizare a defectelor, inclusiv realizarea oscilogramelor și înregistrarea cronologică a evenimentelor sesizate. Capacitatea de monitorizare completă a mărimilor analogice și digitale aferente unei celule permite integrarea terminalului TPU S420 în sistemele SCADA. În acest scop terminalul este dotat cu o interfață optică, această permițând, printre altele, comunicația pe nivel orizontal (același nivel fizic) între diferite unități conectate într-o rețea locală. În plus sunt integrate trei porturi seriale pentru conectarea la PC. Versiunea de baza a produsului este TPU S420-I, ale cărei funcții principale sunt: -Protecția Maximală Direcționată de Curent; -Protecție maximală de curent pentru punerile la pământ (Homopolara); -Reanclanșarea Automată Rapidă (RAR). 
29

& Fig. 3.5. Vederea din față al releului TPU S420 [15] Interfața din Figura (3.5.) este compusă din: -ecran color; -8 LED-uri de alarmă programabile (stânga-sus); -2 LED-uri care indică starea de funcționare ON,LAN (dreapta-sus); -4 LED-uri care indică modurile de operare (stânga-jos); -tasta pentru acceptarea alarmelor CLR; -4 taste pentru navigarea în meniuri; -o tastă pentru selectarea meniurilor SEL; -2 taste pentru acționarea aparaturii, I (Close Circuit Braker) și O (Open Circuit Braker); -portul serial de tip mamă pentru comunicația cu PC-ul.
Fig. 3.6. Vederea din spate al releului TPU S420 [15]

30

Descrierea conectorilor din figura (3.6.): -T1, T2 – intrări analogice curent și tensiune c.a. ; -COM 1, 2, 4 – porturi seriale; -FO 1, 2 – conectori pentru fibra optică; -TP 1, 2 – conectori pentru cablu torsadat (Ethernet); -IRIG-B – intrare digitală pentru semnalul de sincronizare demodulat IRIG-B; -IO1 ,IO2 – conexiuni de bază pentru placa In/Out + sursa de alimentare (conectorii 15, 16, 17, 18 de pe placa IO1, 15 -fază pozitivă, 16 -fază negativă, 17, 18 – neutru) -IO3-IO6 – plăci de extensie. • Funcțiile de protecție -Protecția maximală de curent (Cod ANSI: 50/51); -Protecția homopolară de curent (50/51N); -Protecția maximală direcționată (67); -Protecția homopolară direcționată (67N); -Protecția la defecte rezistive (51N); -Protecția maximală de tensiune (59); -Protecția homopolară de tensiune (59N); -Protecția de minimă tensiune (27); -Protecția de frecvență minimă și maximă (81); -Protecția la suprasarcină (49); -Reanclanșare automată rapidă (79); -Control sincronism și tensiune (25); -Blocajul declanșării (68); -Locator de defect; -Declanșare de rezervă la refuz de întreruptor (62BF); -Supraveghere circuit declanșare (62); -Transferul funcției de protecție (43); -Supraveghere întreruptor; -Supraveghere separator. •Principiul de funcționare Releul de protecție are o arhitectură concepută pentru prelucrarea digitală a intrărilor analogice (Fig. 3.7.). Sistemul de achiziție și conversie analog-digital (A/D) verifică semnalele de intrare pentru a avea nivele care să nu afecteze circuitele electronice, ele urmând a fi filtrate și esantionate pentru a putea fi procesate de protecție prin CPU (Central Processing Unit). TPU S420 are 4 intrări analogice de curent și 4 intrări analogice de tensiune. Dintre intrările de curent, trei sunt utilizate pentru măsurarea curenților pe cele trei faze, iar cea de-a patra măsoară curentul rezidual. Trei dintre intrările de tensiune măsoară tensiunea între fiecare faza și nul. Cea de-a patra intrare de tensiune poate fi utilizată pentru supravegherea unei tensiuni externe. Canalele sunt multiplexate și eșantionate cu o frecvență de 40 de eșantioane pe ciclu (perioadă). Ulterior se aplică primul filtru digital, prin care se face media între fiecare două eșantioane succesive. Se obține astfel un set de 20 de eșantioane pentru un ciclu (perioadă), folosit pentru protecție, pentru funcțiile de măsură și oscilograme. Din aceste eșantioane, utilizându-se algoritmi adecvați de estimare (pentru eliminarea armonicilor și a altor componente tranzitorii care sunt prezente în semnal) sunt obținute valorile componentelor fundamentale ale fazorilor corespunzând diferitelor canale. 
31

Fig.3.7. Structura hardware a releului TPU S420 [15] •Comunicații Sunt folosite patru protocoale de comunicații: -IEC 61850 și IEC 60870-5-103; -Lonworks; -DNP 3.0. Programul folosit pentru a se comunica cu releul de protecție se numește WinProt și deservește la configurarea, parametrizarea și testarea terminalului de protecție.Sincronizarea este realizată prin portul serial IRIG-B. 
3.3.2. Releul de protecție SIPROTEC 7SJ63 – SIEMENS •Descriere și construcție Releele de protecție SIPROTEC® 4 sunt o familie de dispozitive numerice de protecție și comandă inovative cu interfețe de comunicație ce permit comandă și setarea parametrilor de la distanță și cu interfață de operare proiectată ergonomic și cu largă funcționalitate. Dispozitivele utilizează tehnici de măsurare numerice, procesarea integral numerică a semnalelor asigurând înalta acuratețe și uniformitate pe termen lung a măsurii, precum și tratarea corectă a armonicilor și a regimurilor tranzitorii. Tehnicile de filtrare digitală și stabilizarea dinamică a valorilor măsurate asigura cel mai înalt nivel de siguranță în determinarea reacțiilor protecțiilor. Defectele interne ale dispozitivelor sunt depistate și indicate rapid de rutinele de auto – testare. Dispozitivele îndeplinesc în totalitate cerințele comunicațiilor moderne. Acestea dispun de interfețe care permit racordarea cu un centru de comandă superior, setarea confortabilă a parametrilor și exploatarea prin intermediul unui PC (local). 32

Panoul de comandă al dispozitivelor SIPROTEC® 4 este proiectat ergonomic și ușor lizibil, permite comandă de la față locului, setarea parametrilor dispozitivului și afișarea tuturor informaților necesare exploatării. Panoul de comandă al dispozitivului conține un afișaj pe 4 linii. Dispozitivul numeric poate fi comandat prin:
-panoul de comandă de pe partea frontală a dispozitivului;
-interfața DIGSI® 4 cu utilizatorul (pe PC) care se conectează local prin interfata pentru operator a dispozitivului sau printr-un modem.
Figura 3.8. Vederea din față al releului SIPROTEC 7SJ63 [18] Interfața din (Fig. 3.8.) este compusă din: -ecran color; -14 LED-uri de alarmă programabile (stânga); -2 LED-uri care indică starea de funcționare ON,LAN (dreapta-sus); -4 LED-uri care indică modurile de operare (stânga-jos); -tasta pentru acceptarea alarmelor CTLR; -6 taste pentru navigarea în meniuri; -o tastă pentru selectarea meniurilor; -2 taste pentru acționarea aparaturii, I (Close Circuit Braker) și O (Open Circuit Braker); -tastatură numerică; -portul serial de tip mamă pentru comunicația cu PC-ul. 32

Figura 3.9. Vederea din spate al releului SIPROTEC 7SJ63 [18] •Funcțiile de protecție -Protecția maximală de curent (Cod ANSI: 50/51); -Protecția homopolară de curent (50/51N); -Protecția maximală direcționată (67); -Protecția homopolară direcționată (67N); -Protecția la defecte rezistive (51N); -Protecția maximală de tensiune (59); -Protecția homopolară de tensiune (59N); -Protecția de minimă tensiune (27); -Protecția de frecvență minimă și maximă (81); -Protecția la suprasarcină (49); -Reanclanșare automată rapidă (79); -Control sincronism și tensiune (25); -Blocajul declanșării (68); -Locator de defect; -Declanșare de rezervă la refuz de întreruptor (62BF); -Supraveghere circuit declanșare (62); -Transferul funcției de protecție (43); -Supraveghere întreruptor; -Supraveghere separator. •Principiul de funcționare Pe lângă funcțiile de protecție, echipamentul SIPROTEC 7SJ63 asigura toate funcțiile de comandă – control și monitorizare necesare pentru o funcționare optimă a stațiilor de medie sau înalta tensiune. Principala funcție este aceea de comandă a echipamentelor de deconectare. Starea echipamentului primar sau a dispozitivelor auxiliare poate fi monitorizată prin intermediul contactelor auxiliare și transmisă la 7SJ63 prin intrările binare. 32

Echipamentele de comutație pot fi comandate prin: -panoul frontal integrat;
-intrări binare;
-sistemul de protecție și comandă-control al stației; -DIGSI 4. Cu ajutorul logicii integrate, utilizatorul poate seta, printr-o interfață grafică, funcții specifice de automatizarea stației sau a celulei. Funcțiile sunt activate prin taste funcționale, intrări binare, interfață de comunicare. Operațiile de comutare se pot efectua fie local fie de la distanță, în funcție de setări. Pentru contorizarea internă echipamentul poate calcula o valoare a energiei din valorile măsurate ale curentului și tensiunii. Valorile contorizate pot fi afișate și trimise la un centru de control. Se contorizează valorile energiei activă, reactivă, directă și inversă. •Comunicații Protocoale de comunicații: -IEC 61850 și IEC 60870-5-103;-PROFIBUS-FMS:-DNP 3.0. Programul folosit pentru a se comunica cu releul de protecție se numește DIGSI 4 și deservește la configurarea, parametrizarea și testarea terminalului de protecție. Sincronizarea este realizată prin portul serial IRIG-B. 

32