Частотний захист (ANSI 81) і ROCOF — як реле розпізнає втрату мережі за швидкістю зміни частоти

Посібник про захист від острівного режиму для PV-інверторів коротко згадує швидкість зміни частоти (ROCOF, rate of change of frequency) як один із методів, які PV-інвертор використовує для розпізнавання втрати мережі. Ця стаття докладніше розглядає саму функцію захисту: частотний захист, позначений кодами ANSI 81O (підвищення частоти), 81U (зниження частоти) та 81R (ROCOF, також званий df/dt) — функція, що застосовується значно ширше, ніж лише для PV-інверторів, зокрема для генераторів і автоматичного відключення навантаження.

Чому частота контролює дещо інше, ніж напруга чи струм

На відміну від напруги в конкретній точці, частота мережі (приблизно) однакова для всієї синхронно з'єднаної мережі: вона відображає баланс між сумарною виробленою та сумарною спожитою потужністю. Якщо попит зростає без відповідного зростання генерації, частота падає; якщо генерація зростає без відповідного зростання попиту (або зникає значна частина навантаження), частота зростає. Частотний захист, таким чином, опосередковано контролює баланс усієї мережі, а не лише локальний стан в одній точці вимірювання.

Захист від підвищення та зниження частоти (81O/81U)

• Захист від зниження частоти (81U) найбільш відомий застосуванням для автоматичного відключення навантаження (load shedding): щойно частота падає нижче встановленої уставки — ознака дефіциту потужності в мережі — захист ступенями відключає частину навантаження, щоб запобігти подальшому просіданню частоти до точки, в якій самі генератори починають відключатися (каскад, здатний призвести до повного блекауту).
• Захист від підвищення частоти (81O) захищає від мережі з надмірним надлишком потужності (наприклад, після втрати великого навантаження, коли генерація не встигає достатньо швидко знизитися), і також використовується для відключення генераторів чи розподіленої генерації при перевищенні частотою безпечної верхньої межі.

Обидві функції зазвичай використовують кілька незалежно налаштовуваних пар "уставка-час", щоб невелике відхилення частоти оброблялося з довшою витримкою часу, ніж екстремальне відхилення, яке має бути усунене швидше.

ROCOF (81R, df/dt): реакція на швидкість зміни, а не лише на рівень

Звичайний захист від підвищення чи зниження частоти реагує лише після перетину абсолютної уставки — залежно від уставки це може зайняти відносно багато часу. Захист ROCOF натомість вимірює, наскільки швидко змінюється частота (у Гц за секунду), і спрацьовує, щойно ця швидкість перевищує встановлене значення, незалежно від того, чи перетнула абсолютна частота в цей момент уже звичайну уставку 81O/81U. Це робить ROCOF придатним для двох різних застосувань:

• Прискорене відключення навантаження: мережа, що раптово втратила значну частину генерації, показує швидке падіння частоти задовго до досягнення абсолютної уставки 81U; ROCOF може відреагувати на це раніше, ніж звичайний захист від зниження частоти.
• Виявлення острівного режиму при розподіленій генерації: коли частина мережі з локальною генерацією відключається від основної мережі, навантаження, що залишилося, — значно менший "острів" — зазвичай уже точно не збалансоване з локальною генерацією, через що частота в цьому острові починає швидко змінюватися — df/dt значно вище нормальної, повільної поведінки великої синхронної мережі.

Чому потрібен контроль напруги для запобігання хибним спрацюванням

Короткочасне гармонічне спотворення або шум вимірювання під час комутації може дати позірну, дуже швидку зміну частоти без реальної втрати мережі. Щоб запобігти цьому, функція ROCOF зазвичай блокується за напругою: поки виміряна напруга нижча за встановлену нижню межу (наприклад, близько 0,7-0,8 від номінальної напруги), вимірювання ROCOF вважається ненадійним, і захист залишається заблокованим, навіть якщо обчислена df/dt у цей момент випадково показує високе значення.

Примітка: точні уставки 81O/81U, чутливість ROCOF (зазвичай порядку 0,1-кількох Гц/с, з короткою встановленою витримкою часу) та межа блокування за напругою випливають із мережевого кодексу мережевого оператора та системного дослідження конкретної установки; ця стаття описує принцип, а не готову таблицю уставок для кожної мережі.

Практична значущість

Під час підключення розподіленої генерації (PV, когенерація, накопичувачі енергії) до наявної мережі важливо перевірити, що частотний захист — включно з можливою функцією ROCOF — узгоджений із вимогами мережевого оператора, а не просто із загальним заводським налаштуванням за замовчуванням: надто чутливе налаштування ROCOF може призвести до хибного спрацювання при нормальних, невеликих коливаннях частоти великої мережі, тоді як надто нечутливе налаштування не досягає задуманої мети виявлення острівного режиму.

Типові помилки

1. Застосування захисту ROCOF без блокування за напругою — це робить функцію чутливою до позірних стрибків частоти, спричинених шумом або гармонічними спотвореннями.
2. Застосування однакових уставок 81O/81U/ROCOF до невеликої, ізольованої мережі та до великої, сильно з'єднаної мережі — нормальна динаміка частоти суттєво різниться між цими двома ситуаціями.
3. Спроба поєднати відключення навантаження та виявлення острівного режиму однією, недиференційованою уставкою — обидва застосування зазвичай потребують різної чутливості та витримки часу.
4. Відсутність перегляду частотного захисту після значної зміни складу генерації або навантаження мережі — нормальна динаміка частоти мережі змінюється разом зі співвідношенням повільно та швидко регульованої генерації.

Пов'язані матеріали

• Захист від острівного режиму для PV-інверторів (NEN-EN 50549-1)
• Захист від зниження та підвищення напруги (ANSI 27/59)
• Захист від зворотної потужності (ANSI 32)
• Приєднання когенерації до мережі