Dijital Rölelerin Tarihi
Mikroişlemci tabanlı ilk koruma cihazları 1985 yılında kullanılmaya başlamıştır. Sayısal teknolojinin müşteriler tarafından yaygın olarak kabul edilmesi ve kullanıcı deneyimleri 1990 yılında ikinci nesil dijital rölelerin geliştirilmesine yardımcı olmuştur. Modem güç sistemi koruma cihazları entegre fonksiyonlarla oluşturulmuştur. Koruma, kontrol, izleme ve ölçme gibi çoklu fonksiyonlar günümüzde dijital güç sistemi koruma cihazlarında mevcuttur.
Ayrıca bu cihazların haberleşme kabiliyeti, uzaktan kontrol, izleme ve veri aktarımını kolaylaştırmıştır. Geleneksel olarak, elektromekanik ve statik koruma röleleri tek işlevli, tek özellik sunarken, modern sayısal koruma çok işlevli ve çoklu özellikler sunar. Giriş parametrelerini izleyerek farklı sistem koşulları altında koruma karakteristiğini dinamik olarak değiştiren bazı korumalar da sunar.
Konvansiyonel rölelerin (elektromekanik ve statik) ölçüm prensipleri ve teknikleri, kullanılan koruma algoritması türü, örnekleme, sinyal işleme, donanım seçimi, yazılım disiplini vb. gibi birçok açıdan farklılık gösterebilen dijital teknikten daha azdır.
Birinci nesil dijital röleler temel olarak statik röle koruma özelliğini karşılamak üzere tasarlanmış, ve modern sayısal koruma cihazları ise kontrol ve izleme gibi ek işlevlerle tam koruma sağlayabilir özellikte tasarlanıştır. Dijital koruma cihazları, koruma, güvenilirlik, sorun giderme ve arıza bilgileri açısından çeşitli avantajlar sunar. Üretim, iletim ve dağıtım sistemleri için dijital koruma cihazları mevcuttur.
Aşağıdaki bölümler röle donanımı, röle yazılımı, çoklu koruma özellikleri, uyarlanabilir koruma özellikleri, veri depolama, enstrümantasyon (ölçüm) özelliği, kendi kendine kontrol özelliği, iletişim yeteneği, ek işlevler, boyut ve maliyet etkinliğini kapsamaktadır.
1| Dijital Röle Donanımı
Dijital röleler, ilgili yazılım araçlarıyla birlikte hesaplama donanımı olarak özel bir dijital sinyal işlemcisi (DSP) kullanır. Aktarma gerilimi ve akımları bir izolasyon transformatöründen geçirilir. Rölenin voltaj girişleri, nominal voltajdan ADC (analogdan dijitale dönüştürücü) giriş aralığı tarafından belirlenen düşük bir seviyeye ölçeklendirilir.
Rölenin akım girişleri eşdeğer gerilimlere dönüştürülür. Bu ölçeklenmiş sinyaller, yüksek frekans bileşenlerinin temel frekans bileşenine bağlanmasını önlemek için bir alçak geçiren filtre kullanılarak filtrelenir. Filtrelenen sinyaller, bir analog çoklayıcı kullanılarak çoğullanır ve gerekirse, programlanabilir bir kazanç yükselticisi kullanılarak yükseltilir. Çoğullanmış analog sinyal örneklenir ve ADC kullanılarak dijital verilere dönüştürülür.
Daha karmaşık röle, dijital sinyal işlemcisinin karmaşık algoritma hesaplamalarını yürüttüğü ve ana işlemcinin diğer tüm görevleri yerine getirdiği çoklu işlemci mimarisini kullanır.
İşlemciler arasındaki iletişim, çift bağlantı noktalı bellek tarafından sağlanır. Programı depolamak için flash bellek, değişkenlerin, hedef bilgilerinin ve osilografinin geçici olarak saklanması için RAM (rastgele erişimli bellek) kullanılır. Kontak girişleri ve çıkışları, kullanıcı arayüzü (klavye ve likit kristal ekran) ve seri iletişim portları (RS-232 ve RS-485) ana işlemciye arayüzlenmiştir.
Dijital sinyal işlemcisi, sayısallaştırılmış voltaj ve akım sinyallerinin çeşitli parametrelerini tahmin etmek için çeşitli sinyal işleme algoritmaları yürütür ve bunları çift bağlantı noktalı belleğe aktarır. Ana bilgisayar işlemcisi bu parametreleri çift bağlantı noktalı bellekten alır ve uygun .
Çok görevli bir işletim sistemi altında çalışan ana bilgisayar işlemcisi, iletişim, ayar noktası güncellemeleri, hedef güncellemeleri ve kullanıcı arayüzü dahil olmak üzere birkaç başka görevi de yerine getirir.
Kritik bileşenler için yedekleme sağlamak, rölenin güvenilirliğini artırır. Bazı dijital çok işlevli röleler yedekli güç kaynakları kullanır. Her iki güç kaynağı da sürekli olarak sıcak bekleme yapılandırmasında çalışır ve bir besleme arızalanırsa diğeri röleye gereken kesintisiz gücü sağlamaya devam eder. Röle, bakım personelini uyarmak için güç kaynağı arızası hakkında bir alarm göstergesi gönderir.
Analog sinyal girişleri (voltaj ve akım), kontak durumu girişleri ve iletişim devreleri, trafo merkezinin ve enerji santralinin zorlu elektriksel ve çevresel koşullarına dayanacak şekilde şartlandırılmış ve korunmuştur. Röle giriş, çıkış ve güç kaynağı devrelerinin tasarımına dahil edilmelidir.
İstenmeyen indüklenen AC voltajını azaltmanın birincil yöntemi . Varistörler, bobinler ve ferrit boncuklar gibi diğer bileşenler de aşırı gerilimleri ve EMI'yi bastırmak için uygulanır.
2| Dijital Röle Yazılımı
Dijital bir rölede sağlanan yazılım, genellikle gerçek zamanlı olarak çalışan bir dizi görevde düzenlenir. Ana bileşen, işlevi diğer görevlerin gerektiği şekilde ve gerektiğinde öncelikli olarak yürütülmesini sağlamak olan gerçek zamanlı işletim sistemidir (RTOS). Sağlanan yazılım, aşağıdaki röleye özgü işlevlere göre değişiklik gösterecektir.
Sistem hizmetleri yazılımı - Bu, röle için düşük seviye I0'ı kontrol eder (yani, röle donanımı için sürücüler, önyükleme sırası vb.).
HMI arayüz yazılımı – Bu, uygun yazılım, depolama ve ayar verilerini çalıştıran başka bir bilgisayara bir veri bağlantısı aracılığıyla bağlanan ön panel kontrolleri aracılığıyla kullanıcı ile iletişim için üst düzey bir yazılımdır.
Uygulama yazılımı – Bu, rölenin koruma fonksiyonunu tanımlayan bir yazılımdır.
Yardımcı fonksiyonlar – Bu yazılım, rölede sunulan diğer özellikleri uygular. Dijital röledeki yazılımın güvenilirliği, ürünün genel güvenilirliği için kritik öneme sahiptir. Dijital rölelerdeki yazılım problemlerinin çoğu tasarım ve uygulama hatalarına bağlanabilir.
Kodlama öncesi dikkatli planlama ve tasarım, daha güvenilir bir ürünle sonuçlanır. Ürün geliştirme programı boyunca bir yazılım kalite güvence planı gerçekleştirilmelidir. Test planları, belgeler, ayrıntılı yazılım doğrulama ve denetim programları, yazılım hatalarını büyük ölçüde azaltabilir. Çok işlevli rölelerin yazılım doğrulaması ve testi, daha fazla güvenilirlik sağlar.
Dijital çok fonksiyonlu rölelerin çeşitli tasarım aşamalarında gerçekleştirilecek bazı temel testler şunlardır:
Röle algoritması simülasyon testi
Statik fonksiyonel test
Dinamik fonksiyonel test
Çevresel ve donanımla ilgili testler
Saha kurulumu ve testi
3| Çoklu Koruma Özellikleri
Basit Ters belirli minimum gecikmeli (IDMTL) aşırı akım ve toprak arıza rölelerinde, rölede NI, VI, El, LTI ve DTL karakteristikleri gibi çoklu karakteristikler mevcuttur ve gerekli karakteristikler sahada seçilebilir.
4| Uyarlanabilir Koruma Özellikleri
Dijital röleler, rölenin sayısal girişlerinden çalışma miktarlarını izleyerek farklı sistem koşullarına uyum sağlayabilirler. Bu uyarlamalara bazı örnekler:
Adaptasyon #1 – Motor koruma rölesinde, başlatma koşulu ve çalışma koşulu için farklı ayarlar uyarlanabilir. Aşırı akım koruması, toprak arızası koruması, dengesizlik koruması ve durma koruması, başlatma akımı bu ayarları etkileyeceğinden, başlatma sırasında çok hassas bir seviyede ayarlanamaz.
Ancak, motorun çalışma koşulları sırasında bu korumalar için hassas ayarlar uyarlanabilir. Çalışma koşulu sırasında bir grup ayarından diğerine röle geçişi.
Adaptasyon #2 – Trafo koruma rölesinde, üçüncü eğime, daha fazla stabilite sağlamak için kullanılan öngerilim eğim limiti denir ve bu, arıza akımının izlenmesiyle elde edilebilir. Geçiş hatası akımı ayarlanan değerin üzerine çıktığında, geçiş hatası durumu için daha fazla kararlılığı kolaylaştırmak için röle öngerilimi otomatik olarak artar.
Adaptasyon #3 – Mesafe rölelerinde, paralel besleyici giriş, paralel çıkış ve topraklama gibi farklı sistem konfigürasyonları için bu duruma farklı ayarlar uyarlanabilir.
Adaptasyon #4 – IDMTL rölelerinde, giriş ve çıkış fider sayısı gibi sistem durumuna bağlı olarak farklı ayarlar seçilebilir ve daha iyi koruma sağlanabilir.
5| Veri Depolama
Dijital rölede veri depolama üç formatta yapılır, yani bir arıza kaydı arıza hakkında tam bilgi verir, yani arıza akım büyüklüğü, arıza tipi, arıza fazı detayları vb. zaman damgalı. Ayrıca motor koruma rölelerinde pozitif dizi, negatif dizi, eşdeğer akım ve fark akımı (fazlar arası) ile ilgili ek bilgiler mevcuttur.
Benzer şekilde içinde de mümkündür. Arıza kaydı, arıza ile ilgili tüm bilgileri işletme personeline verir. Olay kaydı, koruma elemanı, alma ve bırakma işlemi, çıkış ve giriş enerjilendirme ve ayar değişikliği vb. sistemde meydana gelen tüm değişiklikleri röle içinde saklar.
Tüm olaylar zaman damgalıdır. Dalga formu kaydı, röle işlemi sırasında veya isteğe bağlı olarak analog ve dijital kanal değerlerini saklar. Bu kayıt, arıza dalga biçimlerinin (geçici) ve anlık değerlerin vb. doğasını verir.
Röle çalışma süresini ve kesici çalışma süresini hesaplamak da mümkündür.
Bu kayıtlar ayrıca dijital test sistemi kullanılarak verilerin röleye geri oynatılabileceği 'ye de dönüştürülebilir. Kayıtlar ayrıca devreye alma sırasında faz ilişkisini doğrulamak için manuel olarak tetiklenebilir ve görüntülenebilir. Bu kayıtlar aynı zamanda harmonik analizör yazılımına da beslenerek arıza miktarlarındaki harmonik içeriğin bulunması sağlanabilir.
6| Enstrümantasyon
Dijital röleler bir ölçüm işlevine sahiptir ve ayrı panele monte edilmiş sayaçlar ortadan kaldırılabilir. Bazı röleler ayrıca enerji sayacı işlevi de verebilir.
Röle, işletme personelinin çevrimiçi olarak farklı parametreleri görüntüleyebildiği ve bu ölçüm özelliklerinin birincil enjeksiyon gerçekleştirilirken değerli bir araç olarak kullanılabileceği ölçüm imkanı sağlar. En az ek işlemci süresi gerektirdiğinden, bu belki de uygulanması en açık ve en basit işlevdir.
Koruma işlevini yerine getirmek için rölenin ölçmesi gereken değerler zaten alınmış ve işlenmiştir. Bu nedenle bunları ön panelde görüntülemek ve/veya gerektiğinde uzaktaki bir bilgisayara/HMI istasyonuna iletmek basit bir iştir.
Mevcut giriş sinyallerine bağlı olarak, ölçülen miktarlardan bir dizi ekstra miktar türetilebilir. Bunlar şunları içerebilir:
Sıra (Sekans) miktarları (pozitif, negatif, sıfır)
Güç, reaktif güç ve güç faktörü
Enerji (kWh, kvarh)
Bir periyotta maksimum talep (kW, kvar; ortalama ve tepe değerler)
Harmonik büyüklükler
Sıklık
Sıcaklıklar /RTD durumu
Motor başlatma bilgisi (başlangıç zamanı, toplam başlatma/hızlanma sayısı, toplam çalışma süresi)
Arıza mesafesi
Ölçülen değerlerin doğruluğu ancak kullanılan dönüştürücülerin (VT'ler, CT'ler, A/D dönüştürücü vb.) doğruluğu kadar iyi olabilir. Koruma işlevleri için kullanılan CT'ler ve VT'ler, ölçüm işlevleri için kullanılanlardan farklı bir doğruluk özelliğine sahip olabileceğinden, bu tür veriler tarife amaçları için yeterince doğru olamaz.
Ancak, bir operatörün sistem koşullarını değerlendirmesi ve uygun kararlar alması için yeterince doğrudur.
Motor koruma rölesinde, enstrümantasyon modu ayrıca motor durumunu, açma süresini (anormal durum sırasında), başlatma süresini (koruma kilitliyse), son başlatma süresini, son başlatma akımını, pozitif, negatif, fark akımını görüntüleyebilir.
7| Kendi Kendini Kontrol Eden Dijital Röle Özelliği
Kendi kendine teşhis; elektromekanik veya statik röle tasarımında mevcut değildi. Koruma sisteminin çalışması gerekmeden önce bir arızayı tespit etme ve düzeltme yeteneği, bir olay sırasında veya bir sonraki bakım testine kadar bir röle arızasının doğru şekilde çalışmamasına kadar tespit edilmediği geleneksel koruma sisteminin aksinedir.
Dijital çok fonksiyonlu rölelerde uygulanan en önemli kendi kendine teşhis fonksiyonları aşağıda detaylandırılmıştır.
7.1| Veri Toplama Sistemi Testi
Güç kaynağı voltajları ve toprak çoklayıcının analog giriş kanallarına bağlanarak uyarı ve arıza eşiklerine karşı kontrol edilir. Bu aynı zamanda çoklayıcı, programlanabilir kazanç yükselticisi ve ADC'yi içeren analog veri toplama sistemini de doğrular. ADC'nin dönüştürme süresi de spesifikasyon dahilinde olup olmadığını görmek için kontrol edilir.
7.2| Bellek Testi
Flash ROM içeriği, sağlama toplamı hesaplanarak ve önceden hesaplanmış ve saklanan sağlama toplamı ile karşılaştırılarak kontrol edilir. Kontrol toplamı, tüm baytların modül-256 toplamı olarak hesaplanır. RAM, bir test deseni yazıp okuyarak test edilir.
7.3| Ayar Noktası Testi
Ayar noktaları, röle mantığını yürütmek için RAM'de saklanır ve bu ayar noktalarının bir kopyası da RAM'de saklanır. Herhangi bir ayar noktası değiştirildiğinde, ayar noktalarının kontrol toplamı EEPROM içeriğinden hesaplanır. Bu sağlama toplamı daha sonra bir ayar noktası görevi her yürütüldüğünde RAM'de depolanan ayar noktalarının hesaplanan sağlama toplamı ile karşılaştırılır.
7.4| Bekçi Zamanlayıcısı
Röle donanım tasarımı, donanım/yazılım aksaklıkları nedeniyle programın kaybolması durumunda işlemciyi düzenli bir yeniden ayardan geçirmek için bir bekçi zamanlayıcı yeniden ayar devresi içerir.
Röle donanım ve yazılımı, rölenin kendisi tarafından sürekli olarak izlenir ve herhangi bir anormallik tespit edilirse, röle güvenli bir şekilde kapanır ve arızanın niteliğini gösterir. Röle hizmette arızalanırsa, işletme personeli derhal düzeltici önlemi alabilir.
8| Dijital Rölelerde İletişim
İletişim, röleyi daha akıllı hale getirir ve işletim personeli bunu yapabilir. Revize edilen yazılımı, röleyi üreticiye geri göndermeden yerinde röleye yüklemek de mümkündür.
Böylece sayısal rölelerdeki iyileştirmeler, röleyi üreticiye göndermeden sahada yükseltilebilir ve bu da röle kesinti süresini azaltır.
Dijital röleler, dijital bir teknik kullanarak giriş miktarlarının işlenmesini gerçekleştirir. İşlenen verilere röle iletişim portu üzerinden erişilebilir. Günümüzde dijital röle veri iletişimi ve kontrolü için ayrı bir üst düzey iletişim sistemi mevcut olmasına rağmen, telefon hattını iletişim ortamı olarak kullanarak uzaktan kontrol ve izleme için basit bir iletişim sistemi de mümkündür.
IEC 61850
Özetle, geleneksel koruma şemalarında, devre kesiciler, CT/VT'ler ve güç transformatörleri gibi tüm birincil ekipmanlar, kablolar kullanılarak bağlanır. Eski rölelerde normalde tek bir işlev vardır, bu nedenle bir alt istasyon bölmesini korumak, kontrol etmek ve izlemek için çok sayıda ekipman kullanılır.
Öte yandan, modern koruma şemalarında, tek parça cihazda daha fazla işlevi destekler. Bu, güç sistemi korumasında kullanılan bilgisayar teknolojilerindeki büyük gelişimin sonucudur. Böylece tek bir akıllı cihaz, koruma, kontrol, ölçüm ve arıza kaydı gibi farklı işlevleri destekleyebilir.
Günümüzde tüm koruma rölesi üreticileri IEC 61850 standardının farklı bölümlerine uyum sağlamaya çalışmaktadır. 61850 uyumlu röleler, sabit kabloların çoğunu birkaç ağ kablosuyla değiştirir ve aynı zamanda sistem performansını iyileştirir. En son elektronik, iletişim ve bilgisayar teknolojilerinden yararlanan 61850 uyumlu cihazlar, son kullanıcıların trafo merkezlerini uygun bir şekilde tasarlamasını, inşa etmesini ve bakımını yapmasını sağlar.
IEC 61850 tabanlı çözümler artık farklı üreticilerin akıllı elektronik cihazları (IED) arasında tam bir birlikte çalışabilirliği destekliyor. Kamu hizmetleri artık trafo merkeziyle ilgili herhangi bir donanım veya yazılımda bulunan IEC 61850 özelliklerini talep ediyor.
9| Dijital Rölelerin Ek İşlevselliği
Modern dijital röleler, aşağıdakiler gibi başka ek işlevlere sahiptir:
Devre kesici başarısız
Yük kaybı, iletken kırık
Açma devresi denetimi
Programlanabilir dijital çıkış ve genel olarak engelleme için çeşitli mantık yapısı için girişler dahil devre kesici durum izleme
Röleye lojik giriş olarak bağlanabilen Buchholz röle alarm/açma ve sargı sıcaklık alarm/açma kontakları gibi yardımcı röleler ve röle çalışmasının detayları olay günlüğü sayfasında görülebilir.
Röle kullanıcısı ayrıca dahili elemanlar ve girişler, yani VT/CT denetimi kullanarak özel yerleşik mantık da yapabilir.
10| Dijital Rölelerin Boyutu
Dijital rölelerin boyutu, elektromekanik ve statik rölelere göre çok işlevli yaklaşımı nedeniyle çok daha küçüktür. Örneğin, bir rölede yerleşik olarak bulunan sayısal rölelerde aşağıdaki korumalara sahibiz.
Mevcut Motor Koruma Özellikleri:
Termal koruma
dengesizlik koruması
Düşük akım koruması
Aşırı akım ve toprak arıza koruması ve sıcaklık koruması
Başlatma sayısı
Saat koşu metre
Ampermetre
Tüm bu işlevler, boyut olarak çok kompakt ve aynı zamanda azaltılmış ağırlık olacak tek bir röleye yerleştirilebilir.
11| Dijital Rölelerin Maliyeti
Modern dijital koruma cihazlarının birden fazla koruma elemanı vardır ve bu teknik, rölenin maliyetini elektromekanik ve statik rölelerinkiyle (ayrık) karşılaştırılabilir hale getirir. Mikroişlemcinin maliyeti her geçen gün düşmekte ve son kullanıcı sayısal rölelerde daha düşük bir fiyata daha fazla işlevsellik açısından maliyet avantajı elde edebilmektedir.
Aşağıdaki maliyet düşüşü tüketiciye fayda sağlar:
Koruyucu rölelerin ve yardımcı rölelerin sayısı azaltılır.
Düşük VA yükünün BT ve PT'si yeterlidir. Böylece CT ve PT maliyeti azalır.
Gereken panel alanı çok daha azdır. Böylece gösterge panellerinin boyutu küçültülür ve böylece daha fazla maliyet düşüşü sağlanır.
Röle kablolaması elektromekanik rölelere/statik rölelere göre çok daha azdır. Bu, kablolama malzemesi ve işçilikten tasarruf sağlar.
12| YG ve Çevre Testi
Dijital röleler için IEC 255-5'e göre test edilmiştir. 2 kV dielektrik voltaj, 5 kV darbe voltajı ve 1000 M-ohm'dan büyük yalıtım direnci için uygun olmalıdır.
12.1| Elektrik Ortamı
Röle, IEC 1000-4 ve ANSI 37.90'a göre yüksek frekans bozulması, hızlı geçiş, elektrostatik deşarj, radyo frekansı ve darbe için test edilmiştir.
12.2| Atmosferik Ortam
Bir röle genellikle ve için IEC 255-6'ya göre sıcaklık için uygundur. Bir röle genellikle IEC 68-2-3 uyarınca nem için, IEC 529 uyarınca IP 52 muhafaza koruması için, IEC 255-21 uyarınca sismik, şoklar ve darbeler için Sınıf 1 için ve IEC uyarınca titreşim testi için Sınıf için uygundur 255-21.
13| Sonuç
Modern dijital koruma cihazları, statik ve elektromekanik koruma sistemine kıyasla sayısız özellik sunar. Bunlar aşağıda verilmiştir.
Karmaşık, çoklu koruma özellikleri nedeniyle koruma geliştirilmiştir.
Kendi kendine kontrol özelliği, koruma sistemi güvenilirliğini artırır.
İletişim yeteneği, sayısal koruma sistemini daha akıllı hale getirir ve kullanıcıya değerli bilgiler sağlar.
Bu nedenle karmaşık, güvenilir, çok işlevli gereksinimler için dijital röleler kullanılacaktır.
Referanslar:
Switchgears book by BHEL
The Art and Science of Protective Relaying by C. Russel Mason
Protective Relays Application Guide: GEC Alstom T&D, 1987
Network Protection and Automation Guide: Alstom, 2002
Reyrolle Product Technical Manual.
SEL Technical Papers on Distance Protection with M3425 Technical Manual
Alstom Relay Manual