Ayrıca, bu cihazların iletişim kabiliyeti, uzaktan kontrol, izleme ve veri aktarımını kolaylaştırır. Geleneksel olarak, elektromekanik ve statik koruma röleleri tek işlev ve tek özellik sunarken modern sayısal koruma çok işlev ve çoklu özellikler sunar. Bazı korumalar, giriş parametrelerini izleyerek farklı sistem koşulları altında koruma karakteristiğini dinamik olarak değiştiren uyarlanabilir özellikleri de beraberinde getirir..

 

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 sayısal tekniğe göre daha azdır.

 

(!) Birinci nesil sayısal röleler esas olarak statik röle koruma özelliğini karşılamak üzere tasarlanmıştır, modern sayısal koruma cihazları ise kontrol ve izleme gibi ek işlevlerle tam koruma sağlayabilir. Sayısal koruma cihazları, koruma, güvenilirlik, sorun giderme ve arıza bilgileri açısından çeşitli avantajlar sunar. Üretim, iletim ve dağıtım sistemleri için sayısal koruma cihazları mevcuttur.

 

Aşağıda yer alan kısımlarda röle donanımı, röle yazılımı, çoklu koruma özellikleri, uyarlanabilir koruma özellikleri, veri depolama, enstrümantasyon özelliği, kendi kendine kontrol özelliği, iletişim yeteneği, ek işlevler, boyut ve maliyet etkinliği ele alınmaktadır.

 

İçindekiler:

1. Röle Donanımı
2. Röle Yazılımı
3. Çoklu Koruma Özellikleri
4. Uyarlanabilir Koruma Özellikleri
5. Veri depolama
6. Enstrümantasyon
7. Kendi Kendini Kontrol Eden Röle Özelliği
8. Röle İletişimi
9. Sayısal Rölelerin Ek İşlevselliği
10. Sayısal Rölelerin Boyutu
11. Sayısal Rölelerin Maliyeti
12. YG ve Çevre Testi
13. Sonuç

 

1. Röle Donanımı

Sayısal röleler, ilgili yazılım araçlarıyla birlikte hesaplama donanımı olarak özel bir dijital sinyal işlemcisi (DSP) kullanır. Röle gerilimi ve akımları bir izolasyon transformatöründen geçirilir. Rölenin voltaj girişleri, nominal voltajdan ADC (analogdan dijitale dönüştürücü) giriş aralığı tarafından belirlenen düşük bir seviyeye ölçeklendirilir.

 

Röleye giden akım girişleri, nominal 5/1 A'dan küçültülür ve 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.

Şekil 1 - Sayısal röle blok şeması

 

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 giriş ve çıkışları, kullanıcı arayüzü (klavye ve likit kristal ekran) ve seri iletişim portları (RS-232 ve RS-485) ana işlemciye bağlanmıştır.

 

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 işlemci, bu parametreleri çift bağlantı noktalı bellekten alır ve uygun açma veya alarm çıkış sinyalleri üretmek için röle mantığı ve diğer zamanlama işlevlerini gerçekleştirir.

 

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 tasarımı, EMI'yi (elektromanyetik parazit) azaltmak için filtrelemeyi içermelidir.

 

İstenmeyen indüklenen AC voltajını azaltmanın birincil yöntemi, bu voltajları kapasitörlerle toprağa atlamaktır. Varistörler, bobinler ve ferrit boncuklar gibi diğer bileşenler de aşırı gerilimleri ve EMI'yi bastırmak için uygulanır.

 

2. Röle Yazılımı

Sayısal 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.

 

1. Sistem hizmetleri yazılımı – Bu yazılım, röle için düşük seviye I0'ı kontrol eder (yani röle donanımı için sürücüler, önyükleme sırası vb. gibi şeyleri).
2. HMI arayüz yazılımı – Bu, uygun yazılım, depolama ve ayar verileri çalıştıran başka bir bilgisayara bir veri bağlantısı aracılığıyla bağlanan ön panel kontrolleri aracılığıyla kullanıcı ile iletişim için üst düzey bir yazılımdır.
3. Uygulama yazılımı – Bu, rölenin koruma fonksiyonunu tanımlayan bir yazılımdır.
4. Yardımcı fonksiyon – 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 ürün ortaya çıkmasını sağlayacaktır. Ürün geliştirme programı süresince bir yazılım kalite güvence planı uygulanmalıdır. 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:

1. Röle algoritması simülasyon testi
2. Statik fonksiyonel test
3. Dinamik fonksiyonel test
4. Çevresel ve donanımla ilgili testler
5. Site 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 özellikleri gibi çoklu özellikler mevcuttur ve gerekli özellikler sahada seçilebilir.

 

4. Uyarlanabilir Koruma Özellikleri

Sayısal röleler, rölenin sayısal girişlerinden işletme büyüklüklerini izleyerek farklı sistem koşullarına uyum sağlayabilir. Bu uyum sağlamalara bazı örnekler:

 

Uyum sağlama #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 ayarlanabilir. Çalışma koşulu sırasında bir grup ayarından diğerine röle geçişi.

 

Uyum sağlama #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 önyargısı otomatik olarak artar.

 

Uyum sağlama #3 – Mesafe rölelerinde, paralel fider girişi ve paralel çıkış ve topraklama gibi farklı sistem konfigürasyonları için bu duruma farklı ayarlar uyarlanabilir.

 

Uyum sağlama #4 – IDMTL rölelerinde gelen ve giden fider sayısı gibi sistem durumuna bağlı olarak farklı ayarlar seçilebilir ve daha iyi koruma sağlanabilir.

 

Şekil 2 – Cihaz tipine göre çeşitli özellik grupları bulunmaktadır: Koruma özellikli grupları ve Anahtarlama özellikli grupları. Koruma işlevi gören gruplar, korunan bir nesneye, yani hatta atanan işlevleri birleştirir. Korunan nesnenin tipine ve niteliğine bağlı olarak farklı koruma özellikli gruplar (hat, fider, trafo, motor vb.) bulunmaktadır.

 

5. Veri Depolama

Sayısal rölede veri depolama, arıza kaydı, olay kaydı ve dalga formu kaydı olmak üzere üç formatta yapılır. Arıza kaydı arıza hakkında tam bilgi verir, yani arıza akımının büyüklüğü, arıza tipi, arıza faz 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 mesafe rölelerinde de arıza yeri tespiti 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.

Şekil 3 – SIPROTEC koruma rölelerinde Olay ve Arıza kayıtları

 

 

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 aynı zamanda dijital test sistemi kullanılarak verilerin röleye geri oynatılabileceği 'comtrade' formatına da dönüştürülebilir. Kayıtlar ayrıca devreye alma sırasında faz ilişkisini doğrulamak için manuel olarak tetiklenebilir ve görüntülenebilir. Bu kayıtlar ayrıca arıza miktarlarındaki harmonik içeriği bulmak için harmonik analizör yazılımına da beslenebilir.

 

Şekil 4 – Tetikleme Öncesi ve Arıza Sonrası kayıt sürelerini gösteren bir Osilografik Arıza Kaydı

 

6. Enstrümantasyon

Sayısal röleler bir ölçüm işlevine sahiptir ve ayrı panoya monte edilmiş sayaçlar ortadan kaldırılabilir. Bazı röleler ayrıca enerji sayacı işlevi de verebilir.

 

Röle, işletim personelinin çevrimiçi olarak farklı parametreleri görüntüleyebildiği ölçüm imkanı sağlar ve bu ölçüm özellikleri, birincil enjeksiyonun gerçekleştirildiği devreye alma döneminde değerli bir araç olarak kullanılabilir. En az ek işlemci süresi gerektirdiğinden, bu belki de uygulanması en açık ve en basit işlevdir.

 

Rölenin koruma işlevini yerine getirmek için ölçmesi gereken değerler zaten alınmış ve işlenmiştir. Bu nedenle bunları ön panelde görüntülemek ve/veya gerektiğinde uzak bir bilgisayara/HMI istasyonuna iletmek basit bir iştir.

 

Mevcut giriş sinyallerine bağlı olarak, ölçülen miktarlardan bir dizi ekstra miktar türetilebilir:

1. Sıra miktarları (pozitif, negatif, sıfır)
2. Güç, reaktif güç ve güç faktörü
3. Enerji (kWh, kvarh)
4. Tek devirdeki maksimum talep (kW, kvar; ortalama ve tepe değerler)
5. Harmonik miktarlar
6. Sıklık
7. Sıcaklıklar/RTD durumu
8. Motor başlatma bilgisi (başlangıç zamanı, toplam başlatma/hızlanma sayısı, toplam çalışma süresi)
9. 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, negatifi, fark akımını vb. Görüntüleyebilir.

 

7. Kendi Kendine Kontrol Özelliği

Kendi kendine kontrol, sayısal rölelerin en önemli özelliklerinden biridir. Önceden elektromekanik veya statik röle tasarımlarında mevcut değildi. Koruma sisteminin çalışması gerekmeden önce bir arızayı tespit etme ve düzeltme özelliği, bir olay sırasında veya bir sonraki bakım testine kadar röle arızasının tespit edilemediği geleneksel koruma sisteminden farklıdır.

 

Dijital çok fonksiyonlu rölelerde uygulanan en önemli kendi kendine kontrol özellikleri 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 depolanmış sağlama toplamı ile karşılaştırılarak kontrol edilir. Kontrol toplamı, tüm baytların modül-256 toplamı olarak hesaplanır. RAM ise bir test deseni yazıp okuyarak test edilir.

 

7.3 Ayar Noktası Testi

Ayar noktaları seri EEPROM'da saklanır ve bu ayar noktalarının bir kopyası da röle mantığını yürütmek için RAM'de depolanır. 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 kurulumdan 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 çaloşorken arızalanırsa işletme personeli derhal düzeltici önlemi alabilir.

 

8. İletişim

İletişim, röleyi daha akıllı hale getirir; işletme personeli röleyi ayarlayabilir ve ayrıca arıza bilgilerini indirebilir. Revize edilen yazılımı, röleyi üreticiye geri göndermeden yerinde röleye yüklemek de mümkündür.

Böylece sayısal rölelerdeki güncellemeler, röleyi üreticiye göndermeden yerinde yükseltilebilir, bu da röle kesinti süresini azaltır.

 

Şekil 5 - Kendini kontrol eden sistem

 

Sayısal röleler, dijital bir teknik kullanarak giriş miktarlarının işlenmesini gerçekleştirir. İşlenen verilere röle iletişim portu üzerinden erişilebilir. Günümüzde sayısal 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.

 

IEC61850

Özetle, konvansiyonel koruma şemalarında, devre kesiciler, CT/VT'ler ve güç transformatörleri gibi tüm birincil ekipmanlar, sabit teller kullanılarak ikincil sisteme bağlanır. Normalde eski rölelerde tek bir işlev vardır, bu nedenle bir alt istasyon bölmesini korumak, kontrol etmek ve izlemek için çok sayıda ekipman kullanılır.

 

Öte yandan, modern koruma düzenlerinde akıllı koruma röleleri, 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 olarak birlikte çalışmasını destekliyor. Kamu hizmetleri artık trafo merkeziyle ilgili herhangi bir donanım veya yazılımda bulunan IEC 61850 özelliklerini talep ediyor.

 

9. Ek İşlevsellik

Modern sayısal röleler, aşağıdakiler gibi başka ek işlevlere sahiptir:

 

1. Devre kesici başarısız
2. Yük kaybı, iletken kırık
3. Açma devresi denetimi
4. Programlanabilir dijital çıkış ve genel olarak engelleme için çeşitli mantık yapısı için girişler dahil devre kesici durum izleme
5. 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.
6. Röle kullanıcısı ayrıca dahili elemanlar ve girişler, yani VT/CT denetimi kullanarak özel yerleşik mantık da yapabilir.

 

10. Sayısal Rölelerin Boyutu

Sayısal rölelerin boyutu, çok işlevli yaklaşımı nedeniyle elektromekanik ve statik rölelere göre çok daha küçüktür. Örneğin, bir rölede yerleşik olarak bulunan sayısal rölelerde aşağıdaki korumalara sahibiz.

 

Mevcut Motor Koruma Özellikleri:

1. Termal koruma
2. Dengesizlik koruması
3. Düşük akım koruması
4. Aşırı akım ve toprak arıza koruması ve sıcaklık koruması
5. Başlatma sayısı
6. Saat koşu metre
7. Ampermetre

 

Tüm bu işlevler, boyut olarak çok kompakt ve aynı zamanda azaltılmış ağırlık olacak tek bir röleye yerleştirilebilir.

 

11. Sayısal Rölelerin Maliyeti

Modern sayısal koruma cihazlarının birden fazla koruma elemanı vardır ve bu teknik, rölenin maliyetini elektromekanik ve statik rölelerinkiyle (ayrık) karşılaştırılabilir hale getirir. Mikroişlemci ve dijital donanımın 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:

 

1. Koruyucu rölelerin ve yardımcı rölelerin sayısı azaltılır.
2. Düşük VA yükünün BT ve PT'si yeterlidir. Böylece CT ve PT maliyeti azalır.
3. Gereken panel alanı çok daha azdır. Böylece gösterge panellerinin boyutu küçültülür ve böylece daha fazla maliyet düşüşü sağlanır.
4. Röle kablolaması elektromekanik rölelere/statik rölelere göre çok daha azdır. Bu, kablolama malzemesi ve işçilikten tasarruf sağlar.

12. HV ve Çevre Testi

Sayısal röleler, dielektrik, darbe gerilimi ve yalıtım direnci 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 IEC 255-6'ya göre sıcaklık için -25°C ila +70°C'de saklama ve -25°C ila +55°C'de çalıştırma 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 sayısal 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 sayısal röleler kullanılacaktır.