Adam SMOLARCZYK Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki Nowoczesne stanowisko laboratoryjne do badania przekaźników elektroenergetycznych w czasie rzeczywistym zjawisk Streszczenie. W artykule opisano propozycję stanowiska laboratoryjnego do badania przekaźników elektroenergetycznych w warunkach pracy zbliżonych do rzeczywistych. Proponowane stanowisko jest symulatorem działającym w czasie rzeczywistym zjawisk zachodzących w zamodelowanym fragmencie systemu elektroenergetycznego. Opisano budowę stanowiska (część sprzętową i programową), sposób działania, wykonane testy poprawności jego pracy oraz możliwości dalszej rozbudowy. Abstract. A modern laboratory test bench for testing relays in conditions close to reality is described in the submitted paper. The proposed test bench is a simulator operating in real time conditions occurring in the modelled part of the power system. It was described its construction (some hardware and software), mode of operation, performed validation tests of its activities and the possibilities of further expansion. (A modern laboratory test bench for protection relays testing in real-time phenomena). Słowa kluczowe: badanie przekaźników elektroenergetycznych, symulatory działające w czasie rzeczywistym zjawisk, Matlab/Simulink. Keywords: protection relays testing, real time simulators, laboratory test bench, Matlab/Simulink software. Wstęp Szybkie wprowadzanie na rynek nowych skomplikowanych cyfrowych przekaźników elektroenergetycznych (urządzeń zabezpieczeniowych) oraz mnogość funkcji w nich zawartych powoduje, że mogą one nie działać zgodnie z oczekiwaniami użytkowników. Z tego powodu przekaźniki powinny być badane przez producentów zarówno w fazie produkcji jak i w fazie eksploatacji. Mnogość rzeczy jakie powinny podlegać sprawdzeniu powoduje, że badania powinny być wykonywane wg określonych procedur testowych. Celem badania przekaźników jest potwierdzenie poprawności ich działania zgodnie z projektem producenta oraz wymaganiami użytkownika. Ocena ich działania podczas badań przyczynia się do określenia ich przydatności do planowanej aplikacji, a co za tym idzie odpowiedniego zabezpieczenia poszczególnych elementów systemu elektroenergetycznego (SEE) oraz ochrony tegoż systemu jako całości. Przeprowadzenie testów umożliwia producentom wyciąganie wniosków odnośnie poprawności działania przekaźników oraz ulepszania starych i tworzenia nowych konstrukcji. Aktualnie stosowane różne podziały badań przekaźników elektroenergetycznych zebrano i opisano w [1]. Według najbardziej obszernego podziału [1-3] rozróżnia się dwa główne rodzaje badań (testów) przekaźników: testy typu i testy indywidualne. Wśród testów typu istotną rolę odgrywają: funkcjonalne testy zgodności, funkcjonalne testy działania i systemowe testy działania. Wymienione rodzaje testów wykonywane są za pomocą odpowiednich urządzeń określanych mianem: (a) testerów mikroprocesorowych, (b) symulatorów odtwarzających zarejestrowane przebiegi lub wygenerowane za pomocą programów symulacyjnych (symulatory pracujące w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego), (c) symulatorów działających w czasie rzeczywistym zjawisk (symulatory pracujące w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego). Stosowane urządzenia do wykonywania badań przekaźników elektroenergetycznych dokładniej opisano w [4]. W dalszej części artykułu przedstawiono krótką charakterystykę każdego z wymienionych rodzajów testów i narzędzi do ich wykonywania, przy czym główny nacisk położono na wyjaśnienie zasady testowania w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego za pomocą symulatorów działających w czasie rzeczywistym zjawisk. Opisano propozycję stanowiska laboratoryjnego do wykonywania badań przekaźników elektroenerge-tycznych w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego (symulator działający w czasie rzeczywistym zjawisk). Stanowisko takie jest budowane w Laboratorium Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej i może być tańszą alternatywą w stosunku do bardzo drogich symulatorów komercyjnych. Sposoby badania przekaźników elektroenergetycznych Funkcjonalne testy zgodności. Przekaźnik podczas testów tego typu jest poddany badaniom za pomocą sygnałów, które mogą zostać opisane prostymi zależnościami między prądami i napięciami. Podczas testów do badanego przekaźnika doprowadzane są sygnały zwykle o częstotliwości podstawowej zdefiniowane jako fazory. Niekiedy do czystych sinusoid sygnałów testowych wprowadzana jest dodatkowa składowa nieokresowa. Podczas testów symuluje się warunki przedzwarciowe, zwarciowe i pozwarciowe. Funkcjonalne testy zgodności wykonywane są za pomocą typowych testerów mikroprocesorowych współpracujących z wzmacniaczami wysokiej klasy [3-5]. Funkcjonalne testy działania. Testy te dotyczą poprawności działania przekaźnika w konkretnych warunkach pracy SEE oraz konkretnego przebiegu zakłócenia w SEE. Można je wykonać w ten sposób, że przebieg wielkości elektrycznych tuż przed i w trakcie zakłócenia i po zakłóceniu rejestruje się za pomocą cyfrowych rejestratorów zakłóceń. Następnie zarejestrowany przebieg przenosi się za pomocą nośnika danych do laboratorium i wgrywa do oprogramowania testera (symulatora odtwarzającego zarejestrowane przebiegi). Jeśli nie dysponuje się zarejestrowanymi przebiegami, to przebiegi wielkości elektrycznych tuż przed i w trakcie zakłócenia można uzyskać za pomocą komputerowej symulacji SEE lub odpowiedniego jego fragmentu. Tester odtwarza zarejestrowane przebiegi prądów i napięć (nowoczesne testery mikroprocesorowe zwykle mają możliwość odtworzenie zarejestrowanych przebiegów), zamienia sygnały na i wzmacnia do poziomu wejść sprawdzanego przekaźnika. te wprowadza się do badanego urządzenia i obserwuje jego działanie rejestrując sygnały pobudzeń i zadziałań. Testy tego typu nazywane są testami w otwartej pętli. Systemowe testy działania. Ta metoda testowania polega na tym, że podczas testów przekaźnik elektroenergetyczny traktowany jest jak czarna skrzynka w której wszystkie funkcje są tak skonfigu-rowane i nastawione jak w przypadku zainstalowania go w polu. Sposób przeprowadzania badań przekaźnika może być podobny jak w przypadku funkcjonalnych testów działania. Jednak o wiele bardziej 142 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 3a/2012
wyrafinowana i odpowiadająca rzeczywistości jest metoda testowania z wykorzystaniem symulatorów SEE działających w czasie rzeczywistym zjawisk (ang. real time simulators). Dzięki takim symulatorom wyniki symulacji wyprowadzane są tak samo szybko jak przebiegają zjawiska w systemie. Dysponując takim symulatorem można badany przekaźnik włączyć do modelu SEE w ten sposób, że chwilowe wartości napięć i prądów uzyskane z symulatora zamieniane są na sygnały, odpowiednio wzmacniane i wprowadzane do przekaźnika. Natomiast sygnały wyjściowe z przekaźnika wprowadza się do modelu SEE odwzorowanego w symulatorze. Jeśli sygnałem wyjściowym jest sygnał na otwarcie wyłącznika jakiegoś elementu systemu i sygnał ten pojawia się w trakcie symulowanego przebiegu, to w modelu systemu zostaje przerwany odpowiedni obwód. O takim testowaniu mówi się, że odbywa się z zamkniętą pętlą gdyż, na zachowanie się modelowanego systemu (tak jak w rzeczywistym systemie) wpływ ma działanie badanych przekaźników. Sposób przepływu sygnałów opisany wyżej poglądowo przedstawiono na rys. 1, a budowę i funkcjonowanie symulatorów SEE działających w czasie rzeczywistym zjawisk opisano w [1,4,5]. Symulatory komercyjne (najpopularniejszy z nich to Real Time Digital Simulator - RTDS [6]) są urządzeniami bardzo drogimi. Dlatego niektóre środowiska akademickie próbują zbudować (z mniejszym lub większym sukcesem) własne symulatory działające w czasie rzeczywistym zjawisk [7], które mogły by być wykorzystane do badania przekaźników elektroenerge-tycznych. Symulator działający w czasie rzeczywistym zjawisk Łącze do wymiany informacji z PC Układy wyjść analogowych i dwustanowych Układy wejść dwustanowych Układy wyjść analogowych i dwustanowych Wzmacniacze wyjściowe Układy wejść analogowych i dwustanowych Układy wyjść dwustanowych Badane urządzenie Łącze do wymiany informacji z PC Rys.1. Sposób przepływu sygnałów podczas testów przy użyciu symulatora działającego w czasie rzeczywistym zjawisk Propozycja stanowiska laboratoryjnego do badania przekaźników elektroenergetycznych w czasie rzeczywistym zjawisk W Laboratorium Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej powstaje stanowisko laboratoryjne (symulator) do badania przekaźników elektroenergetycznych (urządzeń zabezpieczeniowych) w czasie rzeczywistym zjawisk [8]. Zadaniem stanowiska będzie symulacja różnych zjawisk (zwarcia, kołysania mocy itd.) w zamodelowanych fragmentach SEE za pomocą odpowiednich programów symulacyjnych. Odpowiednie przebiegi prądów i napięć oraz informacje o położeniu biegunów wyłącznika z wybranego punktu przekaźnikowego będące wynikiem symulacji, po odpowiednim przeskalowaniu pojawią się na wyjściach kart pomiarowych. Po wzmocnieniu sygnałów do wartości odpowiadających stronom wtórnym przekładników prądowych i napięciowych (za pomocą wzmacniacza prądowo-napięciowego) i dopasowaniu (za pomocą układu dopasowującego do napięcia 220 V d.c.) sygnały i () będą doprowadzane do badanego przekaźnika. Zwrotnie z badanego urządzenia doprowadzane będą sygnały (np. informujące o podaniu sygnału na otwarcie lub zamknięcie biegunów odpowiedniego wyłącznika) wpływające (przez układy dopasowujące i kartę pomiarową) na stany łączników w zamodelowanym fragmencie SEE. Zmiany, będące wynikiem działania badanego urządzenia, w konfiguracji zamodelowanego fragmentu SEE będą zachodziły w czasie rzeczywistym zamodelowanych zjawisk (tzn. w czasie w jakim zachodzą one w rzeczywistości). Za pomocą budowanego stanowiska planuje się badanie przekaźników elektroenergetycznych wykorzystujących sygnały (3 sygnały prądowe i 3 sygnały napięciowe) i z jednego końca linii. Ograniczenie to wynika z możliwości wykorzystywanego wzmacniacza o określonej liczbie kanałów prądowych (3 sygnały) i napięciowych (3 sygnały). Budowane stanowisko laboratoryjne składa się z części sprzętowej i programowej. Na rysunku 2a przedstawiono wygląd fizycznej realizacji stanowiska, natomiast na rys. 2b zilustrowano jego schemat blokowy. W skład części sprzętowej stanowiska wchodzą: (a) komputer klasy PC, (b) karty pomiarowe, (c) wzmacniacz sygnałów prądowych i napięciowych, (d) układ dopasowujący do napięcia 220 V d.c., (e) przekaźnik elektroenergetyczny. Jako komputera PC użyto jednostkę wyposażoną w procesor Intel Pentium 4 CPU, 2,4 GHz, płytę główną firmy ASUSTeK Computer model P4P800SE, pamięć RAM 1,5 GB oraz dysk o pojemności 500 GB. Na komputerze zainstalowano system operacyjny Windows XP SP3. Wykorzystano karty pomiarowe firmy Advantech [9] typu PCI-1720 (rys. 3a) (dwie karty) [10], PCI-1750 (rys. 3b) (jedna karta) [11]. Wszystkie karty pomiarowe zamontowane zostały w szynach typu PCI komputera. Każda karta PCI-1720 jest wyposażona w 4 izolowane kanały (izolacja do 2,5 kv d.c.) o sterowanej wartości napięcia wyjściowego w zakresie od 0 do +/-5 V wartości szczytowej napięcia. Rozdzielczość każdego kanału przetwornika cyfrowogo wynosi 12 bitów. Napięcie w podanym wyżej zakresie (jeden z przewidzianych przez producenta zakresów) jest wymagane przez układy wejściowe wykorzystywanego w stanowisku wzmacniacza sygnałów prądowych i napięciowych. W stanowisku laboratoryjnym jedna karta jest wykorzystana do wzmocnienia za pomocą wzmacniacza trzech sygnałów prądowych (fazy L1, L2, L3), a druga trzech sygnałów napięciowych (fazy L1, L2, L3). PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 3a/2012 143
a) Komputer PC i karty pomiarowe Wzmacniacz CMS156 Przekaźnik elektroenergetyczny (0 - +/-5V) a.c. (In=1A, Un=100V) Imax = 3 x 25A, Umax = 3 x 250V (0-5V) d.c. Układ dopasowujący do napięcia 220V d.c. b) Komputer PC i karty pomiarowe Wzmacniacz CMS 156 Przekaźnik elektroenergetyczny Karta nr 1: PCI-1720 (prądy) Karta nr 2: PCI-1720 (napięcia) 3 x I 3 x U Prądy (0-5V)a.c. Napięcia (0-5V)a.c. Prądy (3 x 25A)max Napięcia (3 x 250V)max 3 x I 3 x U Prądy (In=1A) Napięcia (Un=100V) Komputer PC (Windows XP SP3, Matlab/Simulink: - SimPowerSystems - Real-Time Windows Target) Układ dopasowujący do napięcia 220 V d.c. Karta: PCI-1750 (0-5V) d.c. (0-5V) d.c. a) b) Rys.2. Schemat: a) fizycznej realizacji stanowiska, b) blokowy stanowiska laboratoryjnego Rys.3. Wyglądy wykorzystywanych kart pomiarowych: a) PCI-1720, b) PCI-1750 Rys.4. Wygląd wzmacniacza typu CMS 156 Wykorzystywana karta PCI-1750 jest wyposażona w 16 izolowanych wejść cyfrowych i 16 izolowanych wyjść cyfrowych (izolacja do 2,5 kv d.c.). Dla wejść cyfrowych napięcie powinno mieścić się w zakresie 0-2 V (stan niski) oraz w zakresie 5-50 V (stan wysoki). Dla wyjść cyfrowych napięcie powinno mieścić się w zakresie 5-40 V. W stanowisku laboratoryjnym karta PCI-1750 będzie wykorzystana (wraz z układem dopasowującym do napięcia 220 V d.c.) do podawania sygnałów na wejścia badanego przekaźnika elektroenergetycznego (informacja o położeniu biegunów wyłącznika) oraz do odczytu informacji z wyjść dwustanowych przekaźnika informujących o jego zadziałaniu i wpływających na położenie łączników (sygnał na otwarcie lub zamknięcie) w zamodelowanym fragmencie SEE. W stanowisku laboratoryjnym przewiduje się wykorzystanie ośmiu wejść cyfrowych i ośmiu wyjść cyfrowych karty. Do wzmocnienia sygnałów analogowych (prądowych i napięciowych) generowanych przez karty PCI-1720 w stanowisku wykorzystany został wzmacniacz typu CMS 156 firmy OMICRON electronics [13] (rys. 4). Wyposażony jest on w trzy kanały prądowe i trzy kanały napięciowe. Napięcie wejściowe dla kanałów prądowych i napięciowych powinno mieścić się w zakresie od 0 do +/-5 V wartości szczytowej sygnału. Wzmocnienie dla poszczególnych kanałów prądowych wynosi 5 A/V, natomiast dla poszczególnych kanałów napięciowych 50 V/V. Zakres prądów wyjściowych dla trójfazowego trybu pracy wzmacniacza wynosi od 0 do 25 A dla każdego z kanałów. Natomiast zakres napięć wyjściowych dla trójfazowego trybu pracy wzmacniacza wynosi od 0 do 250 V dla każdego z kanałów. Wartości tych sygnałów odpowiadają sygnałom analogowym po stronie wtórnej przekładników i są wystarczające do badania większości przekaźników elektroenergetycznych o wejściowym prądzie znamionowym I n = 1 A i wejściowym napięciu znamionowym międzyfazowym U n = 100 V. Połączenia między kartami pomiarowymi PCI-1720 i wzmacniaczem typu CMS 156 wykonano wykorzystując, oprócz standardowych złącz, 16-pinowe złącze typu Lemo 144 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 3a/2012
FGG.2B [8] do jakiego przystosowany jest układ wejść analogowych wzmacniacza. W celu dopasowania napięć wejść i wyjść cyfrowych karty PCI-1750 do napięć akceptowanych przez wejścia badanego przekaźnika elektroenergetycznego przewidziano wykonanie układu dopasowującego do napięcia 220 V d.c. Budowany układ dopasowujący będzie w współpracował z ośmioma wejściami dwustanowymi i ośmioma wyjściami dwustanowymi karty pomiarowej. W skład części programowej stanowiska wchodzą oprogramowanie Matlab/Simulink v. 2010b wraz z biblioteką Real-Time Windows Target (RTWT) i biblioteką SimPowerSystems [14]. Aby można było uruchomić poprawne współdziałanie kart PCI-1720 i karty PCI-1750 z elementami biblioteki RTWT należało dodatkowo zainstalować kompilator języka C++ dostępny w zestawie programów Microsoft Visual Studio 2005. Oprogramowanie Matlab/Simulink wraz z wymienionymi bibliotekami wykorzystywane jest w stanowisku laboratoryjnym do symulowania zjawisk w zamodelowanym fragmencie SEE (zwarcia, kołysania mocy, przełączenia w sieci, działania automatyki SPZ itp.) oraz do wymuszania (za pomocą wykorzystanych kart pomiarowych) sygnałów analogowych i cyfrowych, z określonych punktów pomiarowych w systemie, będących wynikiem symulacji. Ponadto jest ono wykorzystywane do odczytu informacji (sygnałów cyfrowych) będących wynikiem działania badanego urządzenia (np. sygnał na otwarcie biegunów wybranego wyłącznika), które mają wpływ na konfigurację zamodelowanego fragmentu SEE. Symulacja fragmentu SEE wykonywana jest z wykorzystaniem elementów SEE dostępnych w bibliotece SimPowerSystems. W bibliotece tej można m.in. znaleźć modele elementów takich jak: maszyny synchroniczne i asynchroniczne, maszyny prądu stałego, regulatory, źródła prądowe i napięciowe, modele linii, łączniki jednoi trójfazowe, transformatory, elementy pasywne, elementy energoelektroniczne (diody, tyrystory, tranzystory). Pozwala to na zbudowanie różnorodnych układów elektroenergetycznych. Biblioteka RTWT zawiera m.in. takie elementy jak wejścia i wyjścia, wejścia i wyjścia przeznaczone do współpracy z urządzeniami fizycznymi (kartami pomiarowymi). Elementy te wykorzystywane są w stanowisku laboratoryjnym do wyprowadzania sygnałów analogowych i cyfrowych, będących wynikiem symulacji, na wyjścia kart pomiarowych (w celu ich dalszej obróbki przez wzmacniacz sygnałów analogowych i układ dopasowujący sygnały ) oraz odczytywania stanów zewnętrznych sygnałów cyfrowych mających wpływ na przebieg symulacji. Wybór opisywanej biblioteki umożliwia symulację zjawisk w zamodelowanych układach SEE w czasie rzeczywistym. Przebiegi i pojawiają się na wejściach badanego urządzenia w czasie rzeczywistym (takim jaki występuje w rzeczywistym układzie), a badane urządzenie za pomocą swoich wyjść dwustanowych ma wpływ (w czasie rzeczywistym) na konfigurację modelowanego układu (np. stany łączników), a co za tym idzie na dalszy przebieg symulacji. Wstępne wyniki badań poprawności działania stanowiska laboratoryjnego W ramach pracy [8] wykonano: (a) sprawdzenie poprawności działania kart pomiarowych typu PCI-1720, PCI- 1750 i PCI-1711 (karta posiada 16 wejść analogowych, 2 wyjścia, 16 wejść cyfrowych, 16 wyjść cyfrowych) [12] za pomocą oprogramowania Device Manager firmy Advantech; (b) sprawdzenie poprawności współdziałania kart pomiarowych PCI-1720, PCI-1750 i PCI-1711 i oprogramowania Matlab/Simulink v. 2010b z zainstalowanymi bibliotekami RTWT i SimPowerSystems. W ramach sprawdzenia poprawności działania kart za pomocą oprogramowania Device Manager w przypadku karty PCI-1720 sprawdzono dostępne zakresy napięć wyjściowych poszczególnych kanałów karty oraz poprawność przenoszenia sygnałów o różnych kształtach (sinusoidalnych, piłokształtnych, prostokątnych) i różnych częstotliwościach. W przypadku karty PCI-1750 sprawdzono poprawność zmian stanów (wysoki, niski) na wyjściach cyfrowych w przypadku sterowania tymi wyjściami z poziomu oprogramowania oraz poprawność sygnalizacji pojawienia się stanu (wysoki, niski) na wybranym wejściu cyfrowym karty podczas podawania zewnętrznego sygnału napięciowego o odpowiedniej wartości. Przykładowe zrzuty przebiegów z ekranu oscyloskopu podczas sprawdzania kart PCI-1720 i PCI-1750 przedstawiono na rys. 5. Na rysunku tym przedstawiono przebieg napięcia sinusoidalnego na jednym z wyjść analogowych karty PCI- 1720 oraz przejście ze stanu niskiego w wysoki jednego z wyjść cyfrowych karty PCI-1750. a) b) Rys.5. Przykładowe przebiegi na oscyloskopie: a) przebiegu napięcia na wyjściu karty PCI-1720, b) przejścia ze stanu niskiego na wysoki wyjścia go karty PCI-1750 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 3a/2012 145
Rys.6. Przykładowy testowy układ trójfazowy wykorzystujący biblioteki SimPowerSystems i RTWT oprogramowania Matlab/Simulink a) b) Rys.7. Przykładowe przebiegi na oscyloskopie: a) prądów w trzech fazach w chwili otwarcia trzech biegunów wyłącznika, b) napięć w trzech fazach w chwili otwarcia i zamknięcia trzech biegunów wyłącznika W ramach sprawdzenia poprawności działania kart za pomocą oprogramowania Matlab/Simulink v. 2010b i bibliotek RTWT, SimPowerSystems zbudowano odpowiednie modle symulacyjne jedno- i trójfazowe. W zbudowanych modelach symulacyjnych sprawdzono poprawność współdziałania między kartami i bibliotekami RTWT oraz SimPowerSystems oprogramowania Matlab/Simulink. Sprawdzenie polegało na pomiarze dokładności odwzorowania sygnałów pojawiających się na wyjściach kart PCI-1720 w odniesieniu do sygnałów generowanych w programie Matlab/Simulink oraz na poprawności sterowania biegunami wyłącznika za pomocą wyjść cyfrowych karty PCI-1750. Jeden zamodelowanych układów testowych przedstawiono na rys. 6. Na rysunku tym przedstawiono prosty układ trójfazowy zbudowany z elementów dostępnych w bibliotece SimPowerSystems zawierający trójfazowe źródło napięcia, fragment linii, wyłącznik trójfazowy oraz odbiór trójfazowy. W układzie wykorzystano elementy biblioteki RTWT (Analog Output, Digital Input) będące interfejsami między kartami i zamodelowanym układem. Na rysunku 7 przedstawiono przykładowe zrzuty z ekranu oscyloskopu przebiegów trójfazowych prądów i napięć pojawiające się na wyjściach kart PCI-1720 podczas sterowania biegunami wyłącznika za pomocą wyjść cyfrowych karty PCI-1750 w układzie testowym jak na rys. 6. Podczas badań sprawdzono poprawność współpracy karty pomiarowej PCI-1720 z wzmacniaczem typu CMS 156 pod kątem poprawności generowania przez wzmacniacz odpowiednio wzmocnionych wyjściowych sygnałów prądowych (wzmocnienie 5 A/V) i napięciowych (wzmocnienie 50 V/V) generowanych na podstawie napięciowych sygnałów wyjściowych karty (ustawiono zakres napięcia wyjściowego karty od 0 do +/-5 V). Na podstawie badań stwierdzono, że układ działał poprawnie zgodnie z oczekiwaniami. Dodatkowo w ramach pracy [8] sprawdzono możliwość wykorzystania zamiast jednej z kart PCI-1720 do wymuszania trzech sygnałów analogowych, dwóch kart typu PCI-1711 (jedna karta tego typu posiada tylko dwa wyjścia ). Ze względu na fakt, że karty typu PCI-1711 nie mogą generować napięć wyjściowych w zakresie od 0 do +/-5 V wymaganym przez wzmacniacz typu CMS 156 w dalszym etapie budowy stanowiska nie planuje się wykorzystania kart tego typu do sterowania wzmacniaczem CMS 156. Planuje się wykorzystanie kart typu PCI-1711 np. do badania układów sterowania lub regulacji dla których sygnałami wyjściowymi są sygnały. Perspektywy rozbudowy stanowiska laboratoryjnego Na obecnym etapie budowy stanowiska laboratoryjnego sprawdzono poprawność współdziałania części sprzętowej (komputer PC, karty pomiarowe, wzmacniacz sygnałów analogowych) i programowej (oprogramowanie Matlab/Simulink wraz z bibliotekami SimPowerSystems i 146 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 3a/2012
RTWT) pod kątem wykonywania symulacji w czasie rzeczywistym zjawisk. W dalszej części prac planuje się integrację wejść i wyjść cyfrowych karty PCI-1750 z układem dopasowującym do napięcia 220 Vd.c., które jest wykorzystywane przez przekaźniki elektroenergetyczne. Ewentualny zakup i instalacja dwóch dodatkowych kart analogowych typu PCI-1720, aby było dostępnych 6 sygnałów prądowych i 6 sygnałów napięciowych, umożliwi badanie poprawności działania przekaźników elektroenergetycznych na dwóch końcach linii (współpraca zabezpieczeń odległościowych za pomocą łącza, zabezpieczenia różnicowe linii, zabezpieczenia różnicowe transformatorów). Oczywiście do tego celu potrzebny będzie dodatkowy wzmacniacz typu CMS 156 (Laboratorium Instytutu Elektroenergetyki PW posiada dwa wzmacniacze typu CMS 156). Jeśli zamiast trzech sygnałów napięciowych zostaną wykorzystane trzy sygnały prądowe (przy obecnej liczbie kart typu PCI-1720), to stanowisko może zostać wykorzystane do badania przekaźników wykorzystujących sześć sygnałów prądowych (badanie funkcji zabezpieczeń różnicowych transformatorów, linii). Do tego celu można wykorzystać wzmacniacze prądowe z dwóch urządzeń typu CMS 156 dostępnych w laboratorium (wiązało by się to jednak z wykonaniem odpowiednich połączeń między kartami i wzmacniaczami) lub też z wykorzystaniem wzmacniacza sygnałów prądowych np. typu CMA 156 [13] (laboratorium instytutu nie posiada wzmacniacza tego typu i ewentualna chęć jego wykorzystania wiązałoby się z dodatkowym zakupem urządzenia). Planowane wykorzystanie karty typu PCI-1711 dzięki dużej liczbie wejść analogowych umożliwi badanie (w czasie rzeczywistym zjawisk) układów do regulacji lub sterowania wyposażonych w wyjścia. Od strony programowej planuje się przygotowanie systemów testowych o różnych konfiguracjach sieci zawierających układy z dokładnie odwzorowanymi generatorami i ich układani regulacji (do badania poprawności działania badanych urządzeń w stanach dynamicznych takich jak kołysania mocy, zwarcia rozwijające się itp.) oraz układy wykorzystujące źródła zastępcze zamiast generatorów (do badania szybkości działania przekaźników podczas różnego rodzaju zwarć i przełączeń w sieci). Planuje się przygotowanie systemów testowych zawierających linię jednotorową, linię jednotorową z odczepem (wykorzystanie źródeł generacji rozproszonej), linię dwutorową, linię dwutorową z odczepem (wykorzystanie źródeł generacji rozproszonej). Dodatkowo od strony programowej planuje się wykorzystanie oprogramowania PSCAD/EMTDC [15] do symulacji stanów dynamicznych w SEE. Wykorzystanie tego programu podyktowane jest tym, że jest on dedykowany głównie do modelowania zjawisk w SEE i posiada rozbudowane biblioteki elementów SEE. Program ten może współpracować z programem Matlab/Simulink, a co za tym idzie (przewiduje się), że poprzez wykorzystanie biblioteki RTWT będzie mógł współpracować z kartami pomiarowymi. Podsumowanie Najbardziej wyrafinowaną metodą badania cyfrowych przekaźników elektroenergetycznych jest ich badanie w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego za pomocą symulatorów działających w czasie rzeczywistym zjawisk. W przypadku takiego testowania na zachowanie się zamodelowanego fragmentu SEE (tak jak w rzeczywistości) istotny wpływ ma działanie badanych urządzeń. Komercyjne symulatory działające w czasie rzeczywistym zjawisk za pomocą których można badać duże fragmenty SEE w których można badać poprawność działania jednocześnie wielu urządzeń kosztują miliony dolarów. Często do badania poprawności działania pojedynczych przekaźników wystarczy odwzorować mały fragment SEE za pomocą symulatora działającego w czasie rzeczywistym zjawisk. Symulatory komercyjne za pomocą których można badać małe fragmenty SEE, to również duży wydatek rzędu setek tysięcy dolarów. Wielu uczelni technicznych oraz laboratoriów badawczych nie stać na tak duży wysiłek finansowy. W Instytucie Elektroenergetyki PW opracowywany jest symulator działający w czasie rzeczywistym zjawisk. Będzie on wykorzystany do badania pojedynczych przekaźników elektroenergetycznych pracujących w małym fragmencie SEE. Symulator ten będzie wykorzystywany m.in. do badania funkcji zabezpieczeń odległościowych, różnicowych, nadprądowych, nadprą-dowych kierunkowych przekaźników elektroenergetycznych oraz do badania układów sterowania i regulacji. Wstępne wyniki badań wykonane za pomocą budowanego stanowiska laboratoryjnego są obiecujące. Na obecnym etapie prac udało się uzyskać współpracę między częścią i programową stanowiska. Wydaje się, że budowane stanowisko może być znacznie tańszą alternatywą dla komercyjnych symulatorów działających w czasie rzeczywistym zjawisk i będzie mogło być wykorzystane do badania przekaźników elektroenergetycznych czołowych produ-centów oraz do celów dydaktycznych. LITERATURA [1] S m o l a r c z y k A., Raport z wykonania projektu badawczego zwykłego pt.: Metody badania cyfrowych zabezpieczeń elektroenergetycznych, Grant KBN Nr 4 T10B 068 22, 2002-2003 [2] C I G R E, Analysis and guidelines for testing numerical protection schemes, CIGRE Report No 159, Working Group 34.10, August 2000 [3] S m o l a r c z y k A., Badanie przekaźników elektroenergetycznych, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 11 (2004) [4] S m o l a r c z y k A., K o w a l i k R., Urządzenia do wykonywania badań przekaźników elektroenergetycznych, część 1, część 2, ElektroInfo, Nr 9 (2004), Nr 3 (2005) [5] S m o l a r c z y k A., Metody badania przekaźników elektroenergetycznych, Wiadomości Elektrotechniczne, Nr 9 (2004) [6] R T D S T e c h n o l o g i e s, Real Time Digital Simulator (RTDS), Informacje dostępne na stronie (2011): www.rtds.com/ [7] L i C h e n g W u, Real-time test of protective relay using MATLAB/SIMULINK, OMICRON electronics - International Protection Testing Symposium (IPTS), Feldkirch (Austria), October 2010 [8] M i t u r s k i S., Uruchomienie części sprzętowej i programowej stanowiska laboratoryjnego wykorzystującego komputer PC oraz karty pomiarowe, Praca dyplomowa inżynierska, Instytut Elektroenergetyki PW, Warszawa 2011 [9] A d v a n t e c h, PCI Cards, Informacje dostępne na stronie (2011): www.advantech.com/products/pci-cards/sub_gf- 50HH.aspx [10] A d v a n t e c h, PCI-1720, 4-ch Isolated Analog Output Card User s Manual, May 2005 [11] A d v a n t e c h, PCI 1750, 32-channel Isolated I/O Card Users s Manual, August 1998 [12] A d v a n t e c h, PCI-1711, 12-bit Low-cost Multifunction DAS Card User s Manual, October 1999 [13] O M I C R O N e l e c t r o n i c s, Amplifiers: CMS 156, CMA 156, Informacje dostępne na stronie (2011): www.omicron.at/en/products/pro/secondary-testing- calibration/amplifiers/ [14] M a t h w o r k s, Matlab/Simulink, Informacje dostępne na stronie (2011): www.mathworks.com/products/ [15] M a n i t o b a H V D C, PSCAD/EMTDC, Informacje dostępne na stronie (2011): pscad.com/products/pscad/ Autor: dr inż. Adam Smolarczyk, Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, E-mail: Adam.Smolarczyk@ien.pw.edu.pl PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 3a/2012 147