Μελέτη και σχεδιασμός ηλεκτρονόμου σημάνσεων σφαλμάτων και ψηφιακού μετρητή ενέργειας

Abstract

Σε αυτή τη διπλωματική εργασία θα περιγραφούν τα στάδια που χρειάζονται για την μελέτη και την κατασκευή ενός ηλεκτρονόμου (Η/Ν) ένδειξης σημάνσεων σφαλμάτων και ενός ψηφιακού μετρητή ενέργειας. Οι συγκεκριμένες συσκευές χρησιμοποιούνται σε πολλές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις αλλά στη συγκεκριμένη εργασία θα εφαρμοστούν σε υποσταθμό υψηλής τάσης. Αρχικά θα γίνει μια περιγραφή του υποσταθμού 150/20 kV με βάση τη διαδικασία μιας μελέτης και θα αναφερθούν τα περισσότερα σφάλματα που μπορούν να υπάρξουν σε κάποια υποσυστήματα του υποσταθμού. Επιπλέον θα υπάρχει ένα κεφάλαιο για τη θεωρητική ανάλυση των προστασιών υπερέντασης, αποστάσεως και διαφορικής για τις οποίες χρησιμοποιούνται σήμερα ψηφιακοί Η/Ν. Στο επόμενο βήμα θα αναλυθούν οι απαιτήσεις του ηλεκτρονόμου καταγραφής σημάνσεων σφαλμάτων, οι λειτουργίες του, η χρησιμότητά του και η τεχνογνωσία που ενσωματώνει. Σε αρκετές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις όπως στους υποσταθμούς υψηλής ή μέσης τάσης χρησιμοποιούνται συσκευές σήμανσης συγκεκριμένων σφαλμάτων που γίνονται σε πραγματικό χρόνο, με ταυτόχρονη ενεργοποίηση επαφών για τη διέγερση συναγερμού ή κάποιου ρελέ. Η χρήση μιας τέτοιας συσκευής σε μια μεγάλη εγκατάσταση είναι πολύ σημαντική καθώς επιτρέπεται η ανάγνωση σφάλματος του κυκλώματος. Στα επόμενα τρία κεφάλαια γίνεται ανάλυση στο σχεδιασμού της συσκευής και του τρόπου σύνδεσης του κάθε υλικού. Περιγράφεται η δομή του λογισμικού που τρέχει στη συσκευή και πώς αυτό συνεργάζεται με το υλικό. Επιπλέον περιγράφεται ο τρόπος επικοινωνίας του Η/Ν με το διαδίκτυο καθώς και με ένα τοπικό δίκτυο εφαρμόζοντας το διεθνώς αναγνωρισμένο πρωτόκολλο IEC 61850. Ο ψηφιακός μετρητής ενέργειας αντικαθιστά πλέον μια πληθώρα μεμονωμένων οργάνων μέτρησης όπως τα βολτόμετρα, τα αμπερόμετρα, τα βαττόμετρα και ενσωματώνει νέες τεχνολογίες όπως την επικοινωνία με το διαδίκτυο αλλά και άλλες συσκευές μέσα στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. Θα εξεταστεί επομένως, η κεντρική μονάδα του μετρητή ο τρόπος με τον οποίο υπολογίζει τις επιθυμητές τιμές. Στο τελικό στάδιο του σχεδιασμού αναλύονται οι δοκιμές, οι έλεγχοι που πρέπει να περάσει σήμερα μια συσκευή για να είναι αξιόπιστη, ασφαλής για τον χειριστή και φιλική για το περιβάλλον.

The aim of this diploma thesis is the design of a digital relay for detecting, indicating and saving signal faults and an energy system. A preliminary study of an energy meter is being accomplished using the design methods of the indicator relay. This device aims for indicating faults situated in a substation 150/20 KV but it can be used for more electrical applications. A description of a typical substation 150/20 KV and the most recent faults of substation electromechanical devices is important in order to see the use of this relay. The first chapter analyzes a substation according to the steps its design. The second chapter is a theoretical aspect of the protection methods that substations use in order to be reliable and safe for the electrical system. Overcurrent, distance, and differential protection are being described. In the third chapter the preliminary study of the design takes place including the aims of the project, an estimation of the cost and a timetable. The next three chapters describe the design of the hardware including the schematic diagram and the PCB board, the software of the device and the communication with the Ιnternet or the LAN using the standard IEC 61850. The seventh chapter describes the analogue to digital conversion that the meter uses in order to calculate the rms voltage, the current, the power factor and the energy. The last chapter describes the tests that today devices must succeed in order to be reliable according to the safety and environmental standards. Nowadays a digital energy meter device has replaced a number of old, mechanical meters making an electrical system cheaper and more accurate. This thesis is trying to approach the most advanced technology for devices in electrical transmission distribution and industrial systems such as sending data to the Internet or saving data to a USB memory. The fundamentals of this design such as programming a microcontroller or designing a PCB board can be used for a variety of applications.