Мікропроцесорний релейний захист та автоматика (МПРЗА) — це цифрові пристрої для релейного захисту електричних мереж, які сконструйовані як невеликі комп'ютери та можуть виконувати одночасно багато функцій захисту, замінюючи собою великі схеми на електромеханічних реле, а також мати функції вимірювання, керування, зв'язку, самодіагностики та зберігання інформації про роботу. МПРЗА використовують методи цифрової обробки сигналів і можуть за допомогою комп'ютерних мереж об'єднуватись у великі системи.
МПРЗА можуть виконувати функції дистанційного та диференціального захисту від коротких замикань, захисту при нештатних режимах роботи електромережі (невідповідна частота, розсинхронізація, занадто низька або занадто висока напруга), захисту генераторів та потужних споживачів. Деякі системи дозволяють визначити не тільки ділянку лінії, де відбулась аварія, але й приблизну відстань до місця аварії.
Історія Перші ідеї використання цифрових комп'ютерів для управління системами передачі електроенергії та релейного захисту висловив 1967 року австралієць І. Ф. Моррісон.Morrison I.F. Prospects of online computer control on transmission systems / I.F. Morrison // Elec. Eng. Trans. I.E. Aust.–1967.-Vol EE3,Sept.-Р.234-236. Цифрове реле винайшов Джордж Рокфеллер: він задумав його у своїй магістерській дисертації в 1967–68 рр. в Інженерному коледжі Ньюарка, а 1969 року опублікував фундаментальну статтю «Захист від несправностей за допомогою цифрового комп'ютера». Компанія Westinghouse розробила перше мікропроцесорне реле Prodar 70 між 1969 і 1971 роками. Воно було введене в експлуатацію на лінії електропередачі 230 кВ на підстанції Tesla компанії PG&E в лютому 1971 року та експлуатувалося протягом шести років.
1971 року М. Рамамурті був першим, хто описав розрахунок імпедансу для дистанційного захисту за допомогою дискретного перетворення Фур'є.
Г. Слемон та інші описали визначення напруги та струму у формі комплексних амплітуд з набору миттєвих значень за допомогою перетворення Фур'є. Ці алгоритми потребували збирання відліків миттєвих значень протягом одного циклу коливань. Баррі Дж. Манн та І. Ф. Моррісон описали алгоритм передбачення пікових значень напруги, струму і кута фаз між ними за значно меншою кількістю відліків. Дж. Карр і Р. Джексон описали використання двох цифрових ортогональних режекторних фільтрів з синусоїдальною характеристикою для визначення напруги, струму та кута фаз з чотирьох відліків, рівномірно розташованих протягом періоду. Арун Фадке та Анджей Вішневський запропонували спосіб використання перетворення Фур'є протягом половини циклу для визначення значень напруги та струму і кута фаз між ними. А. Гіргіс і Р. Браун запропонували фільтри Калмана, які дозволили обійтись без перетворення Фур'є і визначити комплексні амплітуди напруги та струму з точністю до 1 % протягом половини циклу. Desikachar et al. запропонували алгоритм біжучої хвилі для встановлення напрямку аварії.
Перше комерційно доступне мікропроцесорне реле створив . Е. Швейцер заснував свою компанію , яка представила мікропроцесорне реле SEL 21 у 1984 році. Це багатофункціональне цифрове реле не тільки захищало системи електропостачання, але й записувало дані, допомагало знаходити несправності. Ці реле не тільки могли визначити, де була несправність, але також створити точний запис того, що викликало несправності. Швейцер розробив більш точне та надійне мікропроцесорне реле, яке було ввосьмеро меншим за розміром, вдесятеро легшим та на одну третину дешевше попередніх механічних реле. Також представлений у 1984 році пристрій SEL-PRTU вперше забезпечив зв'язок з кількома реле.
У 1988 році дослідницька група Virginia Tech розробила перший прототип пристрою вимірювання комплексної амплітуди (, PMU). Ця техніка дозволяє вимірювати, крім електричних величин, фазові кути та може запропонувати нову інформацію, яка дозволяє покращити функціональну логіку захисних реле. У 1990-х роках з'явилося поняття комплексного захисту і контролю, яке використовувало переваги мікропроцесорної технології для захисту, моніторингу, контролю. Кількість реле та проводів значно скоротилися завдяки інтеграції функцій і використанню послідовних комунікацій.
У захисті ліній електропередач і генераторів до середини 1990-х років МПРЗА реле майже замінило твердотільні аналогові та електромеханічні реле. У застосуваннях до розподілу електроенергії перехід на МПРЗА відбувався трохи повільніше. Попри те, що переважна більшість реле в нових застосуваннях сьогодні є мікропроцесорними, твердотільні аналогові реле все ще знаходять деяке застосування там, де можна уникнути складності МПРЗА.
Першими компаніями-виробниками МПРЗА крім Schweitzer Engineering Laboratories були ABB та Siemens. В Україні виробниками МПРЗА є «Київприлад», конструкторське бюро «Реле й автоматики», «Хартрон-Інкор» та ін. Конструкція
Складові частини МПРЗА складається з наступних вузлів: вимірювальний орган; мультиплексор; аналого-цифровий перетворювач (АЦП); обчислювальний блок (мікропроцесор з шинами адрес і даних, оперативною та енергонезалежною пам'яттю, контролерами вводу-виводу); блок індикації; блок дискретних входів і виходів; блок живлення (джерела напруги та струму).
Вимірювальний орган призначено для забезпечення гальванічної розв'язки внутрішніх ланцюгів МПРЗА від зовнішніх ланцюгів, лінійного або нелінійного (з відомим законом) перетворення значень вхідного сигналу, попередньої частотної фільтрації (іноді) та захисту від перенапруг.
Призначення мультиплексора — по черзі приєднувати вимірювальні органи до АЦП, що дозволяє зменшити кількість АЦП, що використовуються, і так здешевити МПРЗА.
АЦП призначений для перетворення аналогового сигналу в пропорційне цифрове значення із заданою періодичністю. Для МПРЗА використовуються АЦП з розрядністю до 12 біт.
Мікропроцесор виконує обчислення над даними, отриманими з АЦП. На вибірках з АЦП розраховуються діючі значення напруги та струму, кути фаз тощо. МПРЗА може містити один чи кілька мікропроцесорів. Збільшення кількості мікропроцесорів дозволяє збільшити надійність шляхом резервування мікропроцесорів, зменшити вимоги до обчислювальної потужності кожного конкретного мікропроцесора, однак здорожчує такі прилади. Тому багатопроцесорні МПРЗА переважно використовуються для класів напруг 220 кВ та вище.
Блок індикації призначений для взаємодії з оператором. Відображення інформації може виконуватись на світлодіодному або рідкокристалічному дисплеї, введення інформації — кнопками.
Блок дискретних входів і виходів призначено для взаємодії з джерелами дискретних сигналів на входах (сигнали положення комутаційного устаткування, комутаційних апаратів, отримання команд пуску, блокування тощо) із забезпеченням гальванічної розв'язки та з вихідними ланцюгами управління. Взаємодія з ланцюгами управління, як правило, здійснюється через проміжні електромагнітні реле.
Блок живлення призначено для живлення електронних компонентів стабілізованою напругою та захисту від перенапруг, електромагнітних завад. Такі блоки живлення виконують імпульсними.
Принцип функціонування Алгоритм роботи МПРЗА поділяється на дві основні частини:
неперервна оцінка показників за вибірками значень напруги та струму; порівняння показників з налаштованими або адаптивними параметрами для визначення необхідності спрацювання.
Додатково МПРЗА також може реалізовувати алгоритми зв'язку та самоперевірки.
У частині оцінки показників можуть використовуватись наступні алгоритми:
алгоритми, засновані на формі синусоїди; методи на основі перетворень Фур'є та Волша; методи найменших квадратів; розв'язання диференціальних рівнянь, які описують модель об'єкта захисту; методи біжучої хвилі.
Алгоритми, засновані на формі синусоїди У алгоритмах, заснованих на формі синусоїди, вважається, що відліки напруги, зібрані МПРЗА, належать до сигналу виду:
де — миттєве значення напруги в момент часу , — пікове значення напруги, — відоме значення кутової частоти. , , вважаються незмінними.
Перша похідна такого сигналу матиме вигляд:
.
Звідти отримано співвідношенняЗавдяки тотожності
з чого слідує пікове значення напруги та кут фази .
Аналогічно для струму:
та .
У алгоритмі Манна та Моррісона похідна розраховувалась як
де — інтервал часу між двома відліками.
Обчислені пікові значення напруги та струму з кутами фаз дозволяють обчислити імпеданс для дистанційного захисту.
У алгоритмі Рокфеллера та Удрена використовуються перша та друга похідна, що потребує більше відліків, однак зменшує помилки за рахунок зникнення компоненти постійного струму.
Перша похідна розраховується за формулою:
,
а друга похідна за формулою:
.
Пікове значення напруги та кут фази .
Методи на основі перетворень Фур'є та Волша Алгоритм на основі перетворення Фур'є повного циклу дозволяє визначити амплітуду та кут фази сигналу. Алгоритм стійкий до компоненти постійного струму та здатний відфільтрувати гармоніки. За алгоритмом, на вхід подаються відліки сигналу як дійсні числа, а дійсна та уявна частина комплексної амплітуди обчислюються за формулами:
,
.
де — кількість відліків за один період, — значення -го відліку сигналу (напруги або струму).
За дійсною та уявною компонентами комплексної амплітуди обчислюються амплітуда та кут фази:
.
Для обчислення алгоритм потребує відліків протягом одного періоду основної частоти.
Варіант алгоритму, запропонований Фадке, використовує відліки протягом половини циклу за формулою:
,
.
Такий варіант дозволяє зменшити час спрацювання до половини періоду, але не стійкий до парних гармонік та компоненти постійного струму.
Перетворення Волша може використовуватись як швидка заміна перетворенню Фур'є, оскільки функції Волша є аналогами косинуса та синуса для перетворення Фур'є. Коефіцієнти Волша можуть бути перераховані у коефіцієнти Фур'є шляхом множення на фіксовані наперед обчислені матриці. На момент пропозиції алгоритму це давало відчутну різницю у швидкості обчислень, бо алгоритм швидкого перетворення Волша передбачав тільки операції додавання, віднімання та зсуву, які тоді були на порядок швидші множення, ділення та обчислення квадратного кореня.
Метод найменших квадратів Метод найменших квадратів виходить з того, що сигнал можна представити розкладом виду
,
де — аперіодичний компонент, який може вважатись компонентом постійного струму, або експоненційно спадаючим, — частота сигналу, та — амплітуда та фаза -ї гармоніки, — загальна кількість гармонік, що розглядаються.
Далі за допомогою методу найменших квадратів підбираються такі та , що найбільш точно описують послідовність зібраних відліків.
Розв'язання диференціальних рівнянь, які описують модель об'єкта захисту Лінія електропередачі описується рівнянням , де — напруга, — активний опір лінії, — сила струму, — індуктивність, — час. Рівняння розв'язується відносно та . Рівняння виконується і в стабільному режимі функціонування, і при перехідних процесах.
Алгоритм передбачає отримання відліків сигналів струму та напруги через фіксовані проміжки часу , , та . Період між та позначається A, період між та — B. Якщо — три послідовні відліки сигналу напруги, а — відповідно три послідовні відліки сигналу струму, то для алгоритму обчислюються значення:
.
Тоді:
.
Значення індуктивності дозволяє обчислити реактивний опір та відповідно імпеданс для дистанційного захисту. Алгоритм потребує лише три відліки та є зручним для реалізації в мікропроцесорах.
Метод біжучої хвилі
Метод біжучої хвилі призначено для точного виявлення місця аварії. Аварія на ліні електропередач створює біжучу хвилю зміни напруги та струму, яка розповсюджується в обидві сторони від місця аварії зі швидкістю, що залежить від індуктивності та ємності лінії. Ці хвилі фіксуються на обох сторонах лінії з відміткою часу. Далі відстань до місця аварії визначається за формулою:
де — відстань до місця аварії від сторони А, — довжина лінії, , — час прибуття хвилі на термінали A та B відповідно, — швидкість розповсюдження хвилі.