Kontroll- och skyddsenheter för mellanspänningsställverk

Transkript

1 Ställverksteknik Dagens ställverk är långtgående automatiserade och har hög tillförlitlighet. Utvecklingen av avancerade givare har, sammantagna med digital Kontroll- och skyddsenheter för mellanspänningsställverk är oftast anpassade för att möta lokala marknadskrav. Därför har ABB ett flertal styrteknik och omfattande styrprogramvara, produkter som har motsvarande gett helt nya möjligheter att styra ställverk, och medför stora fördelar för användarna. Digitala styr- och skyddsenheter på facknivå i mellanspänningsställverk och enklare funktioner som den produkt som beskrivs i följande artikel. Motsvarande kontroll- och skyddsenheter till SCU är SPAC, REF och DPU. Genom alla dessa produkter kan vi högspänningsställverk ökar erbjuda en flexibilitet som motsvarar funktionaliteten och tillförlitligheten i primärsystemet. eventuella olikheter inom normerna DIN, IEC och ANSI. D et digitala styrsystemet PYRAMID för ställverk [1] arbetar med styrning, övervakning, mätning, fjärrmanövrering, förregling och skydd i ställverk på alla spänningsnivåer. Systemet bygger på programmerbara processenheter som förbinds med fiberoptiska ledare och databussteknik och ingår i en enkel logisk struktur. 1 visar strukturen hos PYRA- MID för mellanspänningsställverk och enkla högspänningsställverk. På stationsnivån erbjuder driftledningssystemet MicroSCADA en översikt över processer och tillstånd som svårligen kan uppnås med konventionell teknik. Samtidigt tillåts säker menystyrd manövrering. På facknivån används styr- och skyddsenheter av typ SCU för skydd, styrning, mätning, övervakning och kommunikation. Noggrann anpassning till uppgifterna Styr- och skyddsenheten SCU 2 är baserad på högintegrerad mikroprocessorteknik. Den programvarubaserade processtyrningen utnyttjar till fullo maskinvarans möjligheter, och SCU kan därför erbjuda en bred funktionsuppsättning. Apparaterna kan kostnadseffektivt anpassas till i stort sett alla anläggnings- Fred Carlsson, VD ABB Kraft AB krav, eftersom parametrarna definieras och aktiveras i enlighet med varje enskild kunds krav och i enlighet med de betingelser som gäller för det aktuella ställverksfacket. 3 visar ett mellanspänningsställverk med SCU-enheter för de styr- och skyddsfunktioner som behövs i varje fack. Vidare är ställverksfacken i bild 3 utrustade med ström- och spänningsgivare 4 liksom med induktiva positionsgivare [2]. För att helt kunna uppfylla användarens kravprofil har utvecklarna fördelat maskinvarans uppgifter på flera mikroprocessorer. 5 visar maskinvarans principiella struktur, med funktionernas fördelning på de olika processorerna. Ny givarteknik för gränssnittet mot processen SCU ansluts till ställverksfacket via galvaniskt isolerade in- och utgångar för överföring av mätvärden och styrsignaler. Dr. Volker Biewendt Dr. Werner Ebbinghaus Rudolf Wiegand ABB Calor Emag Schaltanlagen AG De binära ingångarna ansluts till ställverksutrustningen via givare [2]. Induktiva beröringsfria positionsgivare uppfattar läget hos fackets olika kopplingsapparater. Då givarna är relativt små kan de placeras optimalt i förhållande till de komponenter de ska övervaka, för säker och direkt indikering. Då givarna är beröringsfria och saknar rörliga kontakter har de hög tillförlitlighet och livslängd. Externa signaler kan anslutas till styroch skyddsenheten i varje fack, i den utsträckning det behövs för processtyrningen. Styr- och signalutgångarna är utförda i form av effekthalvledare med kapacitet att manövrera kopplingsapparaterna direkt, utan mellanliggande kontaktorer. Därmed elimineras en stor del av kablaget som krävs vid konventionell styr- och skyddsteknik för ställverksfack. SCU kan styra, övervaka och indikera tillstånd hos såväl det egna fackets kopplingsapparater (vakuumeffektbrytare, frånskiljare och jordare) som kopplingsapparaterna i t ex ett underordnat lågspänningsställverk. Ström- och spänningssignalerna kommer från strömgivare (Rogowskispolar) och spänningsgivare (ohmska spänningsdelare), se 4. Givarna används som kombinerade mättransformatorer i facket och utmärks av hög noggrannhet, linjärt överföringsförhållande och bred dynamik. Signalerna ligger till grund för interna beräkningar av frekvens, strömmarnas medel- och maxvärden, skenbar effekt, reaktiv effekt och överförd energimängd. Lokal display med grafisk indikering Styr- och skyddsenheterna SCU är utrustade med varsin enhetlig grafisk LCD-display för manövrering av fackets utrustning. Ett fritt programmerbart schema över ställverksfacket 6 med lysdioder i två färger, tillhörande fritt programmerbara meddelanden, varning- 18 ABB Tidning 3/1996

2 READY OPEN CB SET OPERATIONAL LOCAL REMOTE READY OPEN CB SET OPERATIONAL LOCAL REMOTE READY OPEN CB SET OPERATIONAL LOCAL REMOTE S T Ä L L V E R K S S T Y R T E K N I K täcker behovet för mellanspännings- 4 anläggningar och enklare högspänningsanläggningar, som t ex flerstegs över- 1 strömsskydd (oriktat och riktat), flerstegs jordfelsskydd (oriktat och riktat), flerstegs över- och underspänningsskydd, distansskydd osv. De enskilda 2 skyddsfunktionerna kan kombineras på olika sätt, så att ställverksfacket blir op- 5 timalt anpassat till de anläggningsspecifika skyddskraven. Samtliga skyddsfunktioner kan programmeras så att de öppnar effektbryta- 3 ABB SCU ABB SCU ABB SCU ren då de löser ut. Användaren kan emellertid även välja att utnyttja skyddsfunktionerna som meddelande- eller varningsfunktioner, utan att effektbrytaren??? påverkas. Kombinationer av båda kan väljas. Funktionell uppbyggnad hos styrsystemet PYRAMID för mellanspänningsställverk och enklare högspänningsställverk 1 Förregling av enskilda fack och hela ställverket För att undvika driftstörningar på grund av felaktiga kopplingsmanövrer fordras förreglingsfunktioner mellan de olika Blå Stationsnivå 1 Lokal styrning Gul Kommunikationsnivå 2 Modulär stationsenhet Grön Facknivå 3 Styr- och skyddsenhet för fack, SCU 4 Nätkontrollrum 5 Sidoanläggningar, samlingsskeneskydd ar och larm i klartext informerar direkt användaren om ställverksfackets tillstånd 7. Via displayens schema över ställverksfacket kan de olika funktionerna styras med funktionstangenter och till/från-omkopplare. Olika behörighetsnivåer (lokal styrning och fjärrstyrning) kan definieras via nyckelomkopplare. I inmatningsläget kan parametrarna hos den aktiverade skyddsfunktionen i apparaten ändras, återinkopplingsfunktionen aktiveras eller desaktiveras samt lagrade maxvärden, ackumulerade energivärden och effektbrytardata återställas. Operatören kan hämta information i form av grafiska staplar och numeriska värden för uppmätta strömmar och spänningar, beräknad aktiv effekt, beräknad reaktiv effekt och överförd energimängd. Genom användarspecifik programmering kan funktionsomfattningen i den lokala SCU-displayen anpassas exakt till anläggningens behov. Skyddsfunktioner Givarnas ström- och spänningssignaler ligger till grund för de i systemet ingående skyddsfunktionerna. Funktionerna SCU styr- och skyddsenhet 2 för ställverksfack. Många funktioner och hög tillförlitlighet ABB Tidning 3/

3 Mellanspänningsställverk med en styr- och skyddsenhet för varje fack 3 Kombinerad ström- och spänningsgivare 4 Processorerna i en styr- och skyddsenhet (SCU) och deras uppgifter CP Kommunikationsprocessor MC Huvudprocessor A/D Analog/digital-omvandlare för styrning och indikering DSP Signalbehandling SP Givarprocessor för skydd och mätning I/O Gränssnitt 5 CP A/D DSP MC I/O SP 20 ABB Tidning 3/1996

4 Funktionsschema för ett enkelt ledningsfack 6 Meddelanden i klartext på displayen om ställverksfackets tillstånd 7 kopplingsapparaterna, såväl internt i varje fack som på ställverksövergripande nivå. Frånskiljare, effektbrytare och jordare måste vara förreglade gentemot varandra inom varje fack. De övergripande förreglingsfunktionerna tar hänsyn till samlingsskenornas sektionerings- och kopplingsbrytare. Ovanstående uppräkning illustrerar att det i varje enskild anläggning finns en mängd förreglingsvillkor för de olika ingående kopplingsapparaterna. Med konventionell ställverksstyrteknik brukar dessa funktioner lösas med hjälp av hjälpkontakter, ledningar inom ställverksfacken samt kontaktorer. Detta orsakar kostnader för kabeldragning och apparater, samtidigt som risken för fel är betydande. Med hjälp av styr- och skyddsenheten SCU kan alla förreglingsfunktioner i ett ställverksfack lösas programvarumässigt. Övergripande förreglingsfunktioner löses med hjälp av en databuss, vilken programvarumässigt integreras i de fackspecifika styrenheterna. Denna typ av förregling för ställverk kan redan före installation provas i detalj i simulatorer, en metod som förkortar driftsättningstiden avsevärt. Fackövervakning SCU erbjuder en mängd övervakningsfunktioner: Effektbrytarnas utlösningskretsar övervakas kontinuerligt. Varje defekt i en sådan krets detekteras omedelbart och indikeras, innan en felfunktion hinner uppträda. Brytartid och kopplade strömmar i effektbrytarna mäts. Resultatet ger information om avbränningen av kontaktstyckena. Denna information kan anropas från ett kontrollrum och vidarebearbetas, i syfte att kunna utföra underhållsåtgärder där och när de behövs, i stället för med regelbundna intervall. Manövertiden för kopplingsapparaterna och uppladdningstiden för manöverdonen mäts och jämförs med förprogrammerade börvärden. Skulle en avvikelse från det normala avslöjas ges meddelande eller larm från apparaten. Den kontinuerliga självövervakningen av maskin- och programvara hos fackets elektroniska styr- och skyddsenhet säkerställer att eventuella fel detekteras omgående. Den felbehäftade apparaten ger larm (lokalt) eller utlöser watchdog-funktionen (gruppmeddelande). Därmed kan den defekta enheten omedelbart bytas ut, innan en felfunktion uppträder, som t ex utebliven utlösning av ett skydd vid ABB Tidning 3/

5 fel, som skulle kunna leda till utrustningsskador. Den kontinuerliga självövervakningen ersätter till stor del de regelbundna funktionskontroller som annars måste göras på apparaterna. Användning i konventionella mellanspänningsfack SCU kan via ett extra mättransformatorpaket användas även i ställverksfack med konventionella ström- och spänningsmättransformatorer och kontakter som meddelar kopplingsapparaternas lägen. I det sammanhanget saknar det betydelse om det rör sig om en ny eller en moderniserad anläggning. Även för dessa tillämpningsalternativ erbjuds användaren särskilda fördelar genom att de kompakta apparaterna kan installeras på ett enkelt och översiktligt sätt i facket, genom apparaternas breda funktionsomfång och genom att de är utpräglat användarvänliga och tillåter användaren att välja vilken information som ska visas om fackets tillstånd. Sammantaget erbjuder systemet ett mycket brett tillämpningsområde. Enkla högspänningsfack Styr- och skyddsenheten SCU kan med fördel användas även i högspänningsfack av enklare typ. Skyddsfunktionerna kan på denna nivå utnyttjas som reservskydd. Facket betjänas på exakt samma sätt, oberoende av om det rör sig om hög- eller mellanspänningsställverk ytterligare ett steg mot enhetlighet i hanteringen. 8 visar ett kompakt fackstyrskåp för ett enkelt högspänningsställverk. 9 visar samma skåp med öppen dörr. Den storlek som valts för skåpet illustrerar Kompakt fackstyrskåp för ett enkelt högspänningsfack med SCU för styrning och reservskydd samt ett separat huvudskydd 8 Samma fackstyrskåp med öppen dörr 9 22 ABB Tidning 3/1996

6 hur den nya principen med SCU som styr- och reservskyddsapparat och med separat huvudskydd innebär betydligt enklare, översiktligare och kostnadseffektivare sekundärtekniklösningar även inom högspänningsområdet. Anslutning av ställverksfack med SCU till stationsnivån Fack med SCU i för övrigt konventionella ställverk Fackets styr- och skyddsenhet löser på facknivån de uppgifter som annars fordrat konventionella lösningar i reläteknik. På den nedersta utbyggnadsnivån kan sammankopplingen mellan olika fack och mellan fack och stationsnivå lösas på konventionellt sätt med kablage. På denna utbyggnadsnivå kan de digitala apparaternas fördelar alltså endast utnyttjas på facknivå. Fack med SCU som komponenter i ett PYRAMID-system SCU-enheterna är utrustade med seriella gränssnitt som gör det enkelt att ansluta dem till stationsnivån via fiberoptiska ledare. Denna seriella förbindelselänk innebär en kraftigt minskad kabeldragningskostnad. Via länken kan alla uppmätta och beräknade analoga värden överföras, som t ex U, I, P, Q, effektfaktor, frekvens, brytartid, kopplade strömmar etc. Likaså överförs alla binära värden med tidsmärkning (händelser, apparatlägen och larm), samt parametrar för skyddsinställning. I framtiden kommer även störningsinformation att kunna överföras till stationsnivån. På denna utbyggnadsnivå utgör SCU integrerade komponenter i ABBs ställverksstyrsystem PYRAMID. Tillsammans kan de olika digitala funktionerna utnyttjas mycket effektivt inom detta system. Översiktlig och enkel hantering På stationsnivån erbjuder PYRAMID användaren driftledningssystemet Micro- SCADA för lokal styrning. Systemet har ett grafiskt användargränssnitt i 3D (OSF-Motif) och körs på en vanlig persondator. Beroende på den projektspecifika anläggningsstorleken och de krav som ställs kan flera operatörsstationer inrättas. Kommunikationen inom det distribuerade systemet går via en Ethernetbuss som förbinder operatörsstationerna med varandra och som tillåter utbyte av processdata och fullständiga grafiska bilder. Anläggningsrelaterade uppgifter, som bildning av gruppmeddelanden, integrering av sidoanläggningar, överordnad styrning av transformatorstationer etc sköts också på stationsnivån. Modulär stationsenhet som förbindelselänk De seriella länkarna mellan de enskilda facken och stationsnivån administreras i en modulärt uppbyggd stationsenhet. Stationsenheten har ett antal gränssnitt som gör det möjligt att ansluta facknivån och hela stationsstyrsystemet till ett eller flera kontrollrum, eller till ett valfritt processtyrsystem, t ex inom ett kraftverk eller en industri. Även datakommunikationen för synkronisering av de olika systemkomponenterna hanteras av den stationsenheten. Mångsidig men enhetlig Styr- och skyddsenheten SCU erbjuder ett stort antal mät-, styr-, skydds- och övervakningsfunktioner inom en kompakt enhet. SCU gör det enkelt att anpassa ställverksfacket till den överordnade processen. Moderna givare för mätning av spänningar och strömmar och för indikering av brytarlägen har hög tillgänglighet (livslängd och driftsäkerhet) och förbättrar kvaliteten hos insignalerna. Genom att alla de olika funktionerna är sammanförda i en och samma enhet erbjuds användare och operatörer ett enhetligt och lätthanterligt gränssnitt på alla spänningsnivåer, upp till enklare högspänningsfack, något som innebär fördelar redan i ställverk som i övrigt är utrustade med konventionell styrutrustning. Om fackstyrtekniken integreras i det överordnade stationsstyrsystemet PY- RAMID kan fördelarna med SCU utnyttjas till fullo. Detta tillåter samtidigt att hela ställverket på ett enkelt sätt integreras med ett driftledningssystem eller ett godtyckligt överordnat processtyrsystem. Referenser [1] Systemübersicht PYRAMID Leittechnik in Schaltanlagen. Druckschriftenbestellnummer der ABB Calor Emag Schaltanlagen AG: DEACE [2] Dullni, E.; Fink, H.; Hörner, G.: Steuerung moderner Leistungsschalter. etz (1995) 11, Författarnas adresser Dr. Ing. Volker Biewendt Dr. Ing. Werner Ebbinghaus ABB Calor Emag Schaltanlagen AG Bahnhofstr D Ratingen Fax: +49 (0) 2102/ Rudolf Wiegand ABB Calor Emag Schaltanlagen AG Käfertaler Straße 250 D Mannheim Fax: +49 (0) ABB Tidning 3/