الترحيل الرقمي

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
مرحل الحماية

في أنظمة نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية في المرافق العامة والصناعية ، يُعد المرحل الرقمي نظامًا حاسوبيًا مزودًا بخوارزميات حماية برمجية للكشف عن الأعطال الكهربائية . [ 1 ] تُعرف هذه المرحلات أيضًا باسم مرحلات الحماية من نوع المعالج الدقيق . وهي بدائل وظيفية لمرحلات الحماية الكهروميكانيكية، وقد تتضمن العديد من وظائف الحماية في وحدة واحدة، بالإضافة إلى توفير وظائف القياس والاتصال والاختبار الذاتي.

الوصف والتعريف

المرحل الوقائي الرقمي هو مرحل وقائي يستخدم معالجًا دقيقًا لتحليل الفولتية والتيارات أو غيرها من كميات العمليات في نظام الطاقة، وذلك بهدف الكشف عن الأعطال في نظام الطاقة الكهربائية أو نظام العمليات الصناعية. ويُطلق على المرحل الوقائي الرقمي أيضًا اسم "المرحل الوقائي الرقمي".

معالجة المدخلات

تُمرر إشارات الجهد والتيار المنخفضين (أي عند الملف الثانوي لمحولات الجهد والتيار ) عبر مرشح تمرير منخفض لإزالة الترددات التي تزيد عن ثلث تردد أخذ العينات تقريبًا (يحتاج محول التناظري إلى الرقمي في المرحل إلى أخذ عينات أسرع من مرتين لكل دورة من أعلى تردد يُراد مراقبته). ثم تُؤخذ عينات من إشارة التيار المتردد بواسطة محول التناظري إلى الرقمي في المرحل، بمعدل يتراوح بين 4 و64 عينة (يختلف حسب المرحل) لكل دورة من دورات نظام الطاقة. كحد أدنى، يُستخدم مقدار الكمية الداخلة، عادةً باستخدام مفاهيم تحويل فورييه ( القيمة الفعالة وطريقة حساب المتوسط)، في وظيفة المرحل البسيطة. ويمكن استخدام تحليلات أكثر تقدمًا لتحديد زوايا الطور ، والطاقة ، والطاقة التفاعلية ، والمعاوقة ، وتشوه شكل الموجة ، وغيرها من الكميات المعقدة .

لا يتطلب معظم خوارزميات الحماية سوى المكون الأساسي، إلا في حالة استخدام خوارزمية عالية السرعة تعتمد على بيانات الدورات الفرعية لرصد المشكلات سريعة التغير. تُمرر البيانات المأخوذة عبر مرشح تمرير منخفض يزيل رقميًا محتوى التردد الذي يزيد عن التردد الأساسي المطلوب (أي التردد الاسمي للنظام)، ويستخدم خوارزميات تحويل فورييه لاستخراج مقدار التردد الأساسي وزاويته.

المعالجة المنطقية

يقوم المرحل بتحليل مخرجات محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية لتحديد ما إذا كان يلزم اتخاذ إجراء وفقًا لخوارزمية (خوارزميات) الحماية الخاصة به. خوارزميات الحماية عبارة عن مجموعة من المعادلات المنطقية، يصممها جزئيًا مهندس الحماية، وجزئيًا مصنّع المرحل. يتميز المرحل بقدرته على تطبيق منطق متقدم، حيث يستطيع تحليل ما إذا كان ينبغي فصل الدائرة أو منعها من الفصل بناءً على معايير يحددها المستخدم، وذلك بالمقارنة مع العديد من وظائف مدخلاته التناظرية ، ومدخلات نقاط التلامس، وتوقيت وتسلسل الأحداث.

في حالة اكتشاف حالة عطل، تعمل نقاط التلامس الخارجية على فصل قاطع الدائرة الكهربائية المرتبط بها.

ضبط المعلمات

يمكن للمستخدم تكوين المنطق ويمكن أن يختلف من مجرد تغيير مفاتيح اللوحة الأمامية أو تحريك وصلات لوحة الدائرة إلى الوصول إلى صفحة الويب الخاصة بإعداد المعلمات الداخلية للمرحل عبر رابط اتصالات على جهاز كمبيوتر آخر على بعد مئات الكيلومترات.

قد يحتوي المرحل على مجموعة واسعة من الإعدادات، تتجاوز ما يمكن إدخاله عبر مقابض وأقراص اللوحة الأمامية، ويتم نقل هذه الإعدادات إلى المرحل عبر واجهة مع جهاز كمبيوتر شخصي ، ويمكن استخدام واجهة الكمبيوتر الشخصي نفسها لجمع تقارير الأحداث من المرحل.

تسجيل الأحداث

في بعض المرحلات، يُحفظ سجل موجز لجميع البيانات المأخوذة لأغراض التسجيل التذبذبي. ويتضمن تسجيل الأحداث وسيلةً تُمكّن المستخدم من رؤية توقيت القرارات المنطقية الرئيسية، وتغييرات الإدخال/الإخراج للمرحل، ورؤية المكون الأساسي على الأقل للمعاملات التناظرية الواردة، وذلك باستخدام تقنية التذبذب .

عرض البيانات

توفر المرحلات الرقمية/الرقمية شاشة عرض أمامية، أو شاشة عرض على طرفية عبر واجهة اتصال. تُستخدم هذه الشاشة لعرض إعدادات المرحل وقيم التيار/الجهد في الوقت الفعلي، وما إلى ذلك.

ستحتوي المرحلات الرقمية الأكثر تعقيدًا على منافذ للقياس وبروتوكولات الاتصال، مما يسمح لها بأن تصبح عنصرًا في نظام SCADA . قد تشمل منافذ الاتصال RS-232 / RS-485 أو إيثرنت (نحاسي أو ألياف ضوئية). وقد تشمل لغات الاتصال بروتوكولات Modbus أو DNP3 أو IEC61850 .

مقارنة مع الأنواع الأخرى

أجهزة الحماية الكهروميكانيكية في محطة توليد الطاقة الكهرومائية

على النقيض من ذلك، يقوم المرحل الكهروميكانيكي الوقائي بتحويل الفولتية والتيارات إلى قوى وعزوم مغناطيسية وكهربائية تضغط على زنبركات داخل المرحل. ويُعدّ شد الزنبرك والوصلات الموجودة على الملفات الكهرومغناطيسية في المرحل العمليتين الرئيسيتين اللتين يستخدمهما المستخدم لضبط هذا النوع من المرحلات.

في المرحل الإلكتروني ، تتم مراقبة أشكال موجات الجهد والتيار الداخلة بواسطة دوائر تناظرية، دون تسجيلها أو تحويلها إلى بيانات رقمية. تُقارن القيم التناظرية بالإعدادات التي يُجريها المستخدم عبر مقاييس الجهد في المرحل، وفي بعض الحالات، عبر نقاط توصيل على المحولات.

في بعض المرحلات الإلكترونية، يقوم معالج دقيق بسيط ببعض وظائف المرحل، لكن هذه الوظائف ثابتة وبسيطة. على سبيل المثال، في بعض مرحلات التيار الزائد ذات الحالة الصلبة، يُحوّل التيار المتردد الداخل أولاً إلى قيمة صغيرة، ثم يُغذّى التيار المتردد إلى مقوم ومُرشّح يحولانه إلى تيار مستمر يتناسب مع شكل موجة التيار المتردد. يُستخدم مُضخّم عمليات ومُقارن لإنشاء تيار مستمر يرتفع عند الوصول إلى نقطة الفصل. بعد ذلك، يقوم معالج دقيق بسيط نسبيًا بتحويل إشارة التيار المستمر إلى إشارة رقمية بسرعة منخفضة، ويُكامل النتائج لإنشاء منحنى استجابة التيار الزائد الزمني، ويفصل المرحل عندما يتجاوز التكامل نقطة الضبط. على الرغم من احتواء هذا المرحل على معالج دقيق، إلا أنه يفتقر إلى خصائص المرحل الرقمي، ولذلك فإن مصطلح "مرحل المعالج الدقيق" ليس مصطلحًا دقيقًا.

تاريخ

اخترع جورج روكفلر المرحل الرقمي/الرقمي. [ 2 ] وقد استلهم فكرته في أطروحته للماجستير عامي 1967-1968 في كلية نيوارك للهندسة. [ 3 ] ونشر بحثه الرائد " حماية الأعطال باستخدام الحاسوب الرقمي " [ 4 ] عام 1969. طورت شركة وستنجهاوس أول مرحل رقمي، وهو Prodar 70 [ 5 ] ، بين عامي 1969 و1971. ودخل الخدمة على خط نقل كهربائي بجهد 230 كيلوفولت في محطة تسلا الفرعية التابعة لشركة PG&E في فبراير 1971، واستمر في الخدمة لمدة ست سنوات. [ 6 ] في عام 2017، حصل جورج على جائزة هالبرين لنقل وتوزيع الطاقة الكهربائية من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE). [ 7 ] مُنحت الجائزة تقديرًا لـ"تطويره الرائد وتطبيقه العملي لتقنية الحماية بالمرحلات لأنظمة الطاقة الكهربائية باستخدام تقنيات الحاسوب الرقمي في الوقت الحقيقي". كان جورج رئيسًا للجنة IEEE Power System Relaying and Control (PSRC) (1981-1982) بالإضافة إلى كونه عضوًا في "اللجنة الفرعية لترحيل الكمبيوتر" التي أنشأتها PSRC في عام 1971 وتم حلها في عام 1978. وقد كتب مقدمة البرنامج التعليمي PSRC حول ترحيل الكمبيوتر الذي تم إنتاجه في عام 1979.

في عام 1971 كان م. رامامورتي أول من وصف [ 8 ] حساب المعاوقة لحماية المسافة باستخدام تحليل فورييه المنفصل.

صنع إدموند أو. شفايتزر الثالث أول مرحل رقمي/رقمي عملي متاح تجاريًا يعتمد على المعالج الدقيق في أوائل ثمانينيات القرن الماضي. وكانت شركات SEL و AREVA ومجموعة ABB من أوائل الشركات الرائدة التي حققت بعض التقدم المبكر في هذا المجال، إلا أن السوق اليوم أصبح مزدحمًا بالعديد من الشركات المصنعة. في مجال حماية خطوط النقل والمولدات، بحلول منتصف تسعينيات القرن الماضي، حلّ المرحل الرقمي تقريبًا محل المرحل ذي الحالة الصلبة والمرحل الكهروميكانيكي في الإنشاءات الجديدة. أما في تطبيقات التوزيع، فقد سارت عملية الاستبدال بالمرحل الرقمي بوتيرة أبطأ. وبينما تُعدّ الغالبية العظمى من مرحلات التغذية في التطبيقات الجديدة اليوم رقمية، لا يزال المرحل ذو الحالة الصلبة يُستخدم في بعض الحالات التي تسمح فيها بساطة التطبيق باستخدام مرحلات أبسط، مما يُجنّب المستخدم تعقيد المرحلات الرقمية.

أنواع العناصر الواقية

تشير عناصر الحماية إلى المنطق العام المحيط بالحالة الكهربائية التي تتم مراقبتها. على سبيل المثال، يشير عنصر التفاضل إلى المنطق المطلوب لمراقبة تيارين (أو أكثر)، وحساب الفرق بينهما، وفصل الدائرة إذا تجاوز هذا الفرق حدودًا معينة. يُستخدم مصطلحا "العنصر" و"الوظيفة" بشكل متبادل في كثير من الحالات.

لتبسيط الأمر في المخططات أحادية الخط، تُحدد وظيفة الحماية عادةً برقم جهاز ANSI . في عصر المرحلات الكهروميكانيكية والإلكترونية، كان بإمكان أي مرحل تنفيذ وظيفة حماية واحدة أو اثنتين فقط، لذا قد يحتوي نظام الحماية الكامل على العديد من المرحلات في لوحته. أما في المرحلات الرقمية، فتُنفذ العديد من الوظائف بواسطة برمجة المعالج الدقيق. ويمكن لأي مرحل رقمي تنفيذ وظيفة واحدة أو جميع هذه الوظائف.

تجد قائمة بأرقام الأجهزة في موقع ANSI Device Numbers . فيما يلي ملخص لبعض أرقام الأجهزة الشائعة في المرحلات الرقمية:

  • 11  - جهاز متعدد الوظائف
  • 21  - المسافة
  • 24  فولت/هرتز
  • 25  - التزامن
  • 27  – انخفاض الجهد
  • 32  - عنصر الطاقة الاتجاهي
  • 46  – تيار التسلسل السالب
  • 40  – فقدان الإثارة
  • 47  – جهد التسلسل السالب
  • 50  – التيار الزائد اللحظي (N للمحايد، G لتيار الأرض)
  • 51  – التيار الزائد العكسي الزمني (N للمحايد، G من تيار الأرض)
  • 59  - زيادة الجهد
  • 62  – المؤقت
  • 64  – عطل أرضي (64F = أرضي الحقل، 64G = أرضي المولد)
  • 67  – التيار الزائد الاتجاهي (يتحكم عادةً في عنصر 50/51)
  • 79  – مرحل إعادة الإغلاق
  • 81  – التردد المنخفض/العالي
  • 86  - الإشراف على دائرة قفل الدائرة / دائرة الفصل
  • 87  – فرق التيار (87L=فرق خط النقل؛ 87T=فرق المحول؛ 87G=فرق المولد)

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "وحدة تحكم الأتمتة القابلة للبرمجة من شوويتزر" . مختبرات شوويتزر الهندسية. مؤرشف من الأصل في 9 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه في 21 نوفمبر 2012 .
  2. ↑ "جورج دوروارت روكفلر - موسوعة تاريخ الهندسة والتكنولوجيا" . ethw.org . مايو 2018. تاريخ الاسترجاع: 13 فبراير 2019 .
  3. ↑ روكفلر، جورج د. (31-05-1968). الحماية من الأعطال باستخدام الحاسوب الرقمي (رسالة ماجستير). كلية نيوارك للهندسة.
  4. ↑ روكفلر، جي دي (1969). "الحماية من الأعطال باستخدام الحاسوب الرقمي". معاملات IEEE في أجهزة وأنظمة الطاقة . 88 (4): 438-464 . Bibcode : 1969ITPAS..88..438R . doi : 10.1109/TPAS.1969.292466 .
  5. ↑ روكفلر، جي دي؛ أودرين، إي إيه؛ جيلكريست، جي بي (1972). "الترحيل عالي السرعة عن بُعد باستخدام حاسوب رقمي 1 - وصف النظام". معاملات IEEE لأجهزة وأنظمة الطاقة . 91 (3): 1235-1243 . Bibcode : 1972ITPAS..91.1235G . doi : 10.1109/TPAS.1972.293482 .
  6. ↑ روكفلر، جي دي؛ أودرين، إي إيه (1972). "الترحيل عالي السرعة عن بُعد باستخدام حاسوب رقمي II - نتائج الاختبار". معاملات IEEE لأجهزة وأنظمة الطاقة . 91 (3): 1244-1258 . Bibcode : 1972ITPAS..91.1244R . doi : 10.1109/TPAS.1972.293483 .
  7. ↑ جائزة هيرمان هالبرين لنقل وتوزيع الطاقة الكهربائية من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) . مؤرشفة من الأصل في 11 يناير 2019.
  8. ↑ رامامورتي، م. (1971). "ملاحظة حول قياس المعاوقة باستخدام الحواسيب الرقمية". وقائع IEE-IERE - الهند . 9 (6): 243. doi : 10.1049/iipi.1971.0062 .