Bättre elkvalitetsöverv

Transkript

1 Power Quality Bättre elkvalitetsöverv David Hart, David Uy, Damir Novosel, Steven Kunsman, Carl LaPlace, Marco Tellarini Eftersom de behövs i drift för styrning av kraftsystem används reläskydd och distributionsstyrutrustning på samtliga nivåer i kraftnätet på varje större utrustningskomponent och på varje brytare. Den avreglerade elenergimarknaden och allt mer avancerade datorer har gett nya möjligheter att integrera avancerade funktioner i dessa traditionella apparater. ABB bygger in avancerade funktioner för övervakning av elkvalitet, som lastprofilering, insamling av vågformsoscillogram, mätning etc. i sina reläskydd och distributionsenheter. Detta gör det möjligt för kunderna att ta del av elkvalitetsinformation från många punkter i systemet istället för att behöva förlita sig på dedicerade övervakningsanordningar. R eläskydd och matningsstyrutrustning är nyckeln till effektiv drift av varje transmissions- och distributionssystem för elenergi. Dagens styrutrustning och reläskydd använder mikroprocessorer och digitala signalprocessorer (DSP) för att utnyttja mer avancerade skyddsalgoritmer och tillåta effektivare styrning och automation genom digitala kommunikationsnätverk. Tack vare framsteg inom mikroprocessor- och DSP-teknik har många moderna reläskydd mycket mer att erbjuda än ren skyddsförmåga [1]. Genom att mata reläskydden med mätvärden för spänning och ström kan de detektera och registrera vågformer och övervaka elkvaliteten. I de flesta moderna reläskydd finns funktioner för kommunikation med annan utrustning, inklusive överordnade styr- och datainsamlingssystem (SCADA). Sedan tidigare finns funktioner för elkvalitetsövervakning i ABB:s digitala elmätare Alpha. Funktionen bygger på mikroprocessor- och DSP-teknik. Nästa logiska steg var att införa övervakning av elkvalitet i utrustningen uppströms. Brytarstyrenheten för mellanspänning, SCD och återinkopplingsstyrenheten PCD tillämpar mikroprocessorteknik vid användning i ABB:s distributionsutrustning. Distansskyddet 12 ABB tidning 4/2000

2 akning för kraftbolag 1 ABB DPU 2000R, distansskydd för transformatorstationer 2 PCD 2000, återinkopplingsstyrenhet för inmatning 3 SCD 2000, brytarstyrenhet för stolpmontering DPU 2000R 3 används i transformatorstationtillämpningar. Vad är elkvalitet? Svaret på den frågan beror på vem som får den. Men ur rent praktisk synpunkt kan elkvalitet definieras som graden av frånvaro av sådana elektriska störningar som skulle kunna ha negativ effekt på kundens utrustning eller på kraftsystemkomponenter [2]. Dessa typer av händelser övervakas typiskt för analys efter inträffad händelse. Eftersom elkvalitet och tillförlitlighet är två sidor av samma mynt och eftersom det inte är självklart hur de olika tänkbara händelserna ska kategoriseras, ska vi här behandla såväl elkvalitet (frånvaro av avvikelser) som eltillförlitlighet (antal bortfall). Den breda tolkningen av vad som utgör elkvalitet och en elkvalitetshändelse har föranlett IEEE att definiera normer för övervakning av elkvalitet. Det finns flera skäl att anta IEEE-standarderna vid implementering av elkvalitetsövervakning. Exempelvis erbjuder normerna en publicerad och brett accepterad definition. Normerna klargör elkvalitetsterminologin och ger enkel åtkomst till standarddokumentationen. De dokument som definierar elkvalitetsöver- ABB tidning 4/

3 Power Quality Tabell: Typisk information om elkvalitetshändelse som kan registreras via reläskydd Varaktighet Kategori Typisk Typisk spänvaraktighet ningsvariation Kort varaktighet Lång varaktighet Momentan Spänningssänkning 0,5 30 cykler 0,1 0,9 pu Spänningshöjning 0,5 30 cykler 1,1 1,8 pu Momentan Spänningsavbrott 0,5 cykler -3 s <0,1 pu Spänningssänkning 30 cykler -3 s 0,1 0,9 pu Spänningshöjning 30 cykler -3 s 1,1 1,4 pu Temporär Spänningsavbrott 3s-1 min <0,1 pu Spänningssänkning 3s-1 min 0,1 0,9 pu Spänningshöjning 3s-1 min 1,1 1,2 pu Spänningsavbrott, bestående > 1 min 0,0 pu Underspänning > 1 min 0,8 0,9 pu Överspänning > 1 min 1,1 1,2 pu ett reläskydd. Elsäljare till storkunder har inte heller något större intresse av sådan information. Vid 32 sampel/cykel kan reläskydd i praktiken bara övervaka upp till den nionde övertonen. Det beror på anti-aliasing-filtret och/eller brusfel. Detta är tillräckligt för att registrera de flesta övertoner som genereras under kraftsystemdrift. Det viktigaste bidraget från IEEE 519 då det gäller elkvalitetsövervakning är att standarden definierar hur övertoner ska mätas med avseende på spännings- och strömvågformer. THD (total harmonic distortion) används som mätvärde för övertonshalt i spänningsvågformer. TDD (total demand distortion) används för att mäta övertonshalten i strömvågformer. vakning är IEEE 1159 [3] och 519 [4]. IEEE 1159 innefattar spänningsvariationer, högfrekventa transienter, kortvariga effekter (exempelvis tillfälliga spänningssänkningar och spänningshöjningar), långvariga effekter (t.ex. bestående överspänningar och underspänningar), avbrott, spänningsobalans, övertoner och frekvensvariationer. Övertonsstörningar täcks av IEEE 519. Specifik utrustning för elkvalitetsövervakning används ofta i transformatorstationer för mellan- och högspänning, liksom i kunders anläggningar, i syfte att avslöja elkvalitetshändelser. När sådana apparater aktiveras av en elkvalitetshändelse börjar de i många fall registrera högfrekvensoscillogram över vågformen, utgående från ström- eller spänningsvariationer. De registrerade vågformerna lagras i massminne, t.ex. på hårddisk. Eftersom vanligen många händelser registreras, måste ingenjörerna tillämpa en sorteringsalgoritm som avgör vilka data som är kritiska. Reläskydd har normalt inte samma lagringsmöjligheter som överordnade elkvalitetsterminaler. Dessutom inleds en typisk reläsamplingsfrekvens som minimum vid 8 sampel/ cykel. Dessa begränsningar gör att reläskydden måste sålla PQ-händelserna i syfte att utnyttja lagringsutrymmet väl. Samplingsfrekvensen räcker samtidigt inte för att avslöja högfrekventa händelser. IEEE-definitionerna utgör en utmärkt ram för kategorisering av händelser. Tabellen visar typiska PQ-händelser, baserade på varaktighet och magnitud. Högfrekventa händelser, orsakade av blixtöverspänningar, och höga övertoner kan inte avslöjas av Varför använda reläskydd för elkvalitetsövervakning? PQ-övervakning i ett reläskydd eller i en distributionsstyrenhet från ABB har inte till syfte att konkurrera med mer avancerade apparater för elkvalitetsövervakning. Syftet är istället att ge en billig funktion för kontinuerlig övervakning vid flera platser inom anläggningen. Om ett elkvalitetsproblem avslöjas kan kraftfullare övervakningsutrustning sättas in vid den punkten. Reläskydd och distributionsstyrutrustning är alltid anslutna till kraftsystem, så att de kan leverera elkvalitetsinformation med ett minimum av tillkommande kostnad. Och eftersom de är anslutna till en batteribackup för att ge skydd även i händelse av matningsbortfall, kan de även registrera PQ-händelser i samband med systemstörningar. Reläskydd och distributionsstyrut- 14 ABB tidning 4/2000

4 rustning kan vara, och är ofta, anslutna till Användning av reläskydd och en kommunikationsinfrastruktur som distributionsstyrutrustning för att därmed kan användas för att återkoppla samla in elkvalitetsinformation elkvalitetsinformation till huvudkontoret. Ett av de viktigaste syftena med att samla Förutom dessa fördelar ger tillväxten inom in data i realtid med intelligenta elektroniska enheter, som reläskydd, är att samla mikroprocessorkraften allt större möjligheter att öka kapaciteten i reläskydd och koncis information om elkvalitetshändelser styrenheter. (PQ-händelser). PQ-händelser ska filtreras på ett intelligent sätt och registreras endast om de potentiellt kan påverka systemet. Tack vare nya övervakningsfunktioner för elkvalitet som implementeras i ABB:s reläer och distributionsstyrutrustning kan kunderna få tillgång till elkvalitetsinformation från många punkter i systemet och behöver inte förlita sig på dedicerade enheter för elkvalitetsövervakning. Exempelvis, istället för att använda en enkel magnitudbaserad utlösning, kan en PQ-händelse triggas utgående från en kombination av tidsmässiga och magnitudmässiga inställningar. Varje IEEE-kategori realiseras med en separat uppsättning tidsoch magnitudinställningar. Detta ger reläskyddet förmåga att förfiltrera och kategorisera händelser. När PQ-händelsen har triggats samlas händelseinformationen in på tre sätt: genom händelseregistrering, genom RMS-trendskrivning av händelsen samt via ett oscillogram. En händelsebeskrivning ger slutanvändaren en noggrann sammanfattning av vad som har hänt i systemet och gör det även möjligt att på ett enkelt sätt sortera händelser efter fas, typ, varaktighet eller avvikelse. En typisk händelseregistrering innefattar datum och tidsmärkning, händelsens varaktighet, aktuell fas, minimal och maximal avvikelse från normalt värde samt belastning då händelsen inträdde. Utgående från detta format kan flera hundra PQ-händelser på ett enkelt sätt registreras och snabbt laddas ner för analys offline. Oscillogrammen ger den mest detaljerade informationen för felsökning och analys. Dessa data är oftast trefasiga för att ge en fullständig bild av vad som pågår i systemet. Emellertid är oscillografiska data de som kräver mest minnesutrymme. Exempelvis skulle 8 cykler oscillografiska data vid 32 sampel/cykel kräva ca 3,5 kb minne (8 cykler x 32 sampel/cykel x 7 kanaler x 2 byte). Därför skulle 128 händelser kräva något mindre än en halv megabyte minne. Sådan minneskapacitet finns inte i de flesta reläskydd, varför oscillografiska data endast kan lagras för de senaste hän- ABB tidning 4/

5 Power Quality 4 DCD 2000, kommunikationsnod delserna. Detta ger data för nyligen inträffade händelser, medan tidigare händelser fortfarande finns lagrade i händelsedatabaser för analys offline. RMS-trendregistrering erbjuder en praktisk kompromiss för oscillografiska data. Eftersom RMS-händelsedata kan lagras periodiskt istället för vid varje sampling minskar minnesbehovet. Exempelvis, med ett reläskydd som samplar 32 gånger/cykel kan RMS-data lagras 4 gånger/cykel, vilket minskar minnesbehovet med en faktor 8. Om endast den påverkade fasen lagras för senare analys minskar minnesbehovet ytterligare med en faktor 3. Följaktligen kan större delen av den kritiska informationen lagras för den påverkade fasen med potentiellt bara 1/24 av det minne som skulle behövas för att lagra samtliga sampel. RMS-trenddata är därför ett mycket mera praktiskt alternativ för att lagra ett stort antal händelser. Elkvalitetsövervakning i ABB:s skyddsutrustning PQ-övervakningsfunktioner har implementerats i två av ABB:s skyddsprodukter: återslutningsenheten PCD 2000 för stolpmontering samt brytarstyrenheten SCD En prototypimplementering av algoritmen har testats på distansskyddet DPU 2000R (REF544). Förutom sina normala skydds-, automations- och kommunikationsfunktioner har dessa produkter inbäddad programvara som övervakar och klassificerar PQ-händelser i enlighet med IEEE-definitionen, tidsmärkning och händelseregistrering, ger en RMS-trend och samlar in oscillografiska vågformsdata för tillfälliga spänningssänkningar, spänningshöjningar och avbrott. Dessutom kan enheterna samla THD för spänningarna och TDD för strömmarna, för övertoner upp till nionde ordningen. Den framgångsrika implementeringen av alla dessa funktioner i de nämnda produkterna kan i första hand återföras till ett nära samarbete mellan ABB Corporate Research, ABB Automation och ABB Distribution. Samtliga funktioner är fasvis implementerade. Därför kommer en störning på en enda fas endast att generera en PQ-händelseregistrering, en RMS-trend för den påverkade fasen samt ett oscillogram som innefattar data för alla tre faserna. En trefasig händelse genererar tre PQ-händelseregistreringar och en RMS-trend för varje fas, men fortfarande bara ett enda oscillogram (eftersom alla tre faserna registreras i samma oscillogram). För närvarande kan över 200 PQ-händelser med RMS-trenddata lagras. Som regel lagras endast de senaste 8 trefasiga oscillogrammen. Insamling av PQ-data från reläskydd Elkvalitetsdata som samlas in av skyddsutrustningen måste göras tillgänglig för användarna inom olika avdelningar. Informationen kan hämtas direkt från den aktuella enheten via frontpanelgränssnittet. Här finns ett menysystem som leder användaren genom de olika elkvalitetsmätvärden. En persondator med specifik programvara för elkvalitetsövervakning kan också anslutas till den seriella kommunikationsporten. Medan dessa metoder är effektiva för en enskild monitor som är lätt åtkomlig, skulle ett automatiskt insamlingssystem kräva ett modem anslutet till serieporten eller någon annan typ av nätverksgränssnitt för att samla in data. För att hämta elkvalitetsdata från en transformatorstation kan en kommunikationsnod, exempelvis ABB DCD installeras. Detta gör det möjligt för fjärrterminalenheten (RTU) att kommunicera oavbrutet med nätverket av intelligenta elektroniska apparater, medan fjärranvändaren bara anropar enheterna vid behov för att hämta PQ-information. RTU är konstruerad för att leverera data uppströms mot ett SCADA-system. Den fjärranslutna användartillämpningen har tillgång till elkvalitetsdata via ett automatsvarande modem. Med DCD 2000-noden används samma kommunikationsnätverk för att styra och övervaka reläer och matningsenheter och för att samla in PQ-data. Fördelarna med att låta PQ-tillämpningen ha tillgång till data utan att gå genom RTU- eller SCADA-systemet är att det minimerar den databaspunktmappning som är nödvändig för att samla in PQ-data. En webbservertillämpning används för att demonstrera den nya PQ-övervakningskapaciteten. Skälen att konstruera systemet som en servertillämpning istället för som en fristående PC-tillämpning var två: 16 ABB tidning 4/2000

6 5 Typisk installation av monitor för elkvalitetsövervakning med central server för övervakning via webbgränssnitt Webb SCADA PC-server Kommunikationsnod Analog telefonlinje Brytare Brytare Till andra transformatorstationer Återslutare Återslutare Omkopplare Omkopplare Omkopplare För det första förenklar det användning och underhåll av programvarupaketet, eftersom en servertillämpning bara kräver en enda installation för att lösningen ska fungera över hela företaget. Användarna installerar bara en webbläsare av standardtyp på sina respektive maskiner. För det andra ger det en vid krets av kunder inom olika områden kontrollerad tillgång till informationen. Ett serverorienterat system är bättre för att distribuera information och för att övervaka åtkomst. Servern drar även fördel av den gemensamma databasen för samtliga användare och en enda punkt för datainsamling från fältenheterna. 5 visar hur webbservertillämpningen och ABB:s PQ-övervakningsutrustning skulle kunna sammankopplas. En transformatorstation skulle typiskt vara utrustad med en kommunikationsnod, installerad och ansluten till reläer och matningsutrustning. Vid nedladdning av PQ-data skulle den centrala servern anropa transformatorstationen och ladda ner information från anslutna ABB-reläskydd. Systemet kan innefatta flera transformatorstationer med flera reläer och matningsdon anslutna. För tydlighetens skull visar figuren endast en transformatorstation och den tillhörande matningsutrustningen. PQ-övervakning i fält En återinkopplingsenhet ABB PCD 2000 med PQ-funktioner implementerade installerades i tre industriella anläggningar på olika platser i USA, inom ramen för ett pilotprojekt i syfte att demonstrera systemet. Installationen innefattade en kommunikationsnod DCD 2000 för att ge modemåtkomst till PCD-enheterna. PCD 2000 samplar spänningar och strömmar med 32 sampel/cykel och har tillräckligt icke- ABB tidning 4/

7 Power Quality 6 Webbläsarbaserad tillämpning för elkvalitetsövervakning som visar händelsesammanfattningsbilden med kategoriserade data 7 Webbläsarbaserad detaljerad skärmbild som visar elkvalitetshändelsens datum, tid, klassificering, fas, varaktighet, magnitud och länkar till grafik förlorbart RAM för att lagra mer än 200 PQhändelseregistreringar med RMS-trendskrivning. Oscillogram finns tillgängliga för samtliga kanaler under 8 cykler, men endast för de senaste 8 händelserna. RMSdata beräknas med 32 sampel/cykel och lagras 4 gånger/cykel. De resultat som presenteras här gäller en industriell anläggning med en kombination av frilednings- och underjordsmatning. 6 visar en webbtillämpning med en sammanfattning av elkvalitetshändelserna som registrerats av PCD Tabellen i skärmutskriften visar antalet observationer för en given tidsperiod, i de klassificeringar som specificeras av IEEE Händelsesammanfattningen ger den typ av koncis information som är till nytta för elsäljare och annan personal hos en elleverantör som arbetar med kundkontakter. Sammanfattningen visar namnet på den registrerande enheten datum och tid för senaste informationsnedladdning samt antalet händelser i var och en av IEEE-klasserna. Användaren kan göra händelsefiltret smalare och koncentrera sig på senaste veckans eller senaste dagens händelser. Denna information ligger på tillräckligt hög nivå för att ge snabb åtkomst till data för att fastställa om det finns ett problem, utan att vara överdrivet detaljerat. Nästa datanivå finns i händelsedetaljerna såsom framgår av 7. Denna bild visar en sammanfattning av varje registrerad händelse, tiden då händelsen inträffade, typen av händelse enligt IEEE, fasen, varaktigheten samt magnituden. Om en händelse med en specifik varaktighet eller magnitud är orsaken till ett visst kundproblem kan den kontoansvarige ringa in händelsen exakt. Två länkar gör det möjligt för användaren att gå till RMS-bilden eller oscillogrammet om dessa finns. Observera att oscillografiska data endast finns för de första 7 visade händelserna, medan RMSdiagram finns tillgängliga för samtliga händelser. RMS-spänningsprofiler ger information för en mer djupgående analys av de tidsberoende egenskaperna hos spänningen under en händelse. 8 visar RMS-spänningsprofilen för den senaste PQ-händelsen i händelsedetaljlistan (den vertikala axeln visar RMS-linjespänningen, medan den horisontella axeln visar tiden i sekunder från det ögonblick händelsen inleds). En detaljerad teknisk analys av elkvalitetshändelsen går att få fram genom att plotta oscillogrammet. Grafen i 9 visar fasvågformen (före händelsen samt under händelsen) för samma händelse som registrerats av monitorn. Den vertikala axeln anger spänningen medan den horisontella ger klocktiden i sekunder. Observera att restriktionerna för enhetens minne samt reläskyddets inställningar i detta exempel begränsar oscillogrammets storlek till 8 cykler. Fälterfarenhet från dessa testinstallationer under det senaste året bekräftar att det är tekniskt rimligt att använda reläskydd för att mäta elkvalitetshändelser från varaktigheter kortare än en cykel till långvariga anläggningsavställningar. Erfarenheten visar att reläskyddet har kapacitet att samla 18 ABB tidning 4/2000

8 8 Webbläsarbaserad RMS-spänningsprofil 9 Webbläsarbaserat oscillogram över elkvalitetshändelse I figuren inleds oscillogrammet vid tiden 07:54: och avslutas vid tiden 07:54: den 2 mars 1999 in detaljerad information om dessa händelser. Det kunde även visas att majoriteten av elkvalitetsproblemen som registrerades av händelseövervakningsenheterna var tillfälliga spänningssänkningar och att sådana problem uppträdde oftare under stormar. Sammanfattning Framsteg inom mikroprocessortekniken tillåter att extra funktionalitet, som PQ-övervakning, integreras i digitala reläskydd och matningsutrustning. Dessa enheter används i stor utsträckning i kundsystem. De tillämpar välkända protokoll, de är väl beprövade och de får kontinuerligt underhåll. Den tillkommande funktionaliteten gör det möjligt för kraftbolagen att tydligare se elkvalitetshändelser i syste- Referenser met och att reagera effektivare på kundernas behov. Bland fördelarna med att integrera PQ-övervakning i traditionella skydds- och styrsystem kan nämnas: Tillkommande eller temporär PQ-övervakningsutrustning krävs mera sällan. Befintliga tillgångar kan utnyttjas optimalt. Elsäljare för nyckelkunder kan hämta data från kundens anläggning med obetydlig tillkommande investering. Kraftbolagen kan reagera snabbare på kunders problem. Problemområden kan identifieras som kräver djupare PQ-analys eller underhåll. Kunder som behöver PQ-tjänster från kraftbolaget kan identifieras. [1] D. Hart et al: Tapping protective relays for power quality information. IEEE Computer Applications in Power, January 2000, [2] G.T. Heydt: Electric Power Quality. Stars in a Circle Publications, [3] IEEE Std : IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality. [4] IEEE Std : IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. Författare Dr. David Hart David Uy ABB Electric Systems Technology Institute 1021 Main Campus Drive Raleigh, NC 27606, USA david.g.hart@us.abb.com david.uy@us.abb.com, Dr. Damir Novosel ABB Automation Group, Ltd CH-8050, Zürich, Schweiz damir.novosel@ch.abb.com Steven Kunsman ABB Automation 7036 Snowdrift Road, Suite 2 Allentown, PA 18106, USA steven.a.kunsman@us.abb.com Carl LaPlace ABB Power Distribution 1021 Main Campus Drive Raleigh, NC 27606, USA carl.laplace@us.abb.com Marco Tellarini ABB T&D Management LTD CH-8050 Zürich/Schweiz marco.tellarini@ch.abb.com ABB tidning 4/