IEC 60255 1xx: Standard funzionali dei relè di protezione per tutti

15 Ottobre 2021

Electrical Tester

Autori: Thierry Bardou, Andrea Bonetti, Volker Leitloff e Murty Yalla

La Commissione elettrotecnica internazionale (IEC) sta attualmente lavorando a una nuova serie di standard che copre i requisiti funzionali di misurazione dei relè e delle relative apparecchiature utilizzate per proteggere i sistemi di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica. I nuovi standard funzionali dei relè di protezione sono designati come serie IEC 60255-1xx. La standardizzazione di varie metodologie di test e metriche di misurazione promette vantaggi per l'intera comunità di relè di protezione. Un totale di cinquanta esperti internazionali di diciassette comitati nazionali della IEC stanno lavorando insieme per sviluppare questi standard. Andrea Bonetti di Megger rappresenta attivamente la Svezia nel comitato, insieme ad altri tre delegati che hanno accettato di fornire informazioni su questo importante lavoro.

Gli impianti elettrici stanno diventando sempre più complessi e sofisticati. Di conseguenza, lo stesso sta accadendo anche per i sistemi di protezione e, contemporaneamente, le conseguenze dei guasti relativi alla protezione stanno diventando più costose e più dannose. Inoltre, l'implementazione diffusa dei concetti di Smart Grid sta creando nuove sfide per i sistemi di protezione. Pertanto, è chiaro che esiste una reale esigenza di standard riconosciuti a livello internazionale che definiscano la funzionalità dei componenti chiave, i relè di protezione e le relative funzioni di protezione, che sono alla base di questi sistemi. Per soddisfare questa esigenza, la IEC sta attualmente lavorando alla serie IEC 60255-1xx di standard funzionali dedicati ai relè e alle funzioni di protezione. Prima di esaminare i vantaggi che questi standard possono offrire, diamo uno sguardo ad alcune informazioni di base.

Campo di applicazione del TC 95

Gli standard sono in fase di sviluppo e pubblicazione da parte del team di manutenzione 4 (MT4) del Comitato tecnico 95 (TC 95) IEC: "measuring relays and protection equipment" (relè di misurazione e apparecchiature di protezione). Il campo di applicazione del TC 95 è la standardizzazione dei relè di misurazione, delle apparecchiature di protezione e delle funzioni di protezione integrate in qualsiasi apparecchiatura o sistema utilizzati in vari campi di ingegneria elettrica interessati dalla norma IEC, comprese combinazioni di dispositivi e funzioni che formano schemi per la protezione dei sistemi di alimentazione. Il campo di applicazione del TC 95 include funzioni di controllo, monitoraggio e interfaccia di processo e apparecchiature utilizzate con i sistemi di protezione (ad esempio, richiusura automatica, individuazione dei guasti, teleprotezione o interfacce di dati di processo e registrazione dei guasti), nonché funzioni di protezione e correlate alla protezione delle risorse energetiche distribuite (DER) o delle risorse basate su inverter (IBR).

Come si può notare, il campo di applicazione è molto ampio e, di conseguenza, verranno sviluppati molti standard in questa serie. Alcuni di questi sono già stati pubblicati, mentre altri si trovano in diverse fasi di sviluppo. Tutti questi standard hanno un obiettivo comune: specificano i requisiti funzionali minimi, le metodologie di test e i metodi di valutazione delle prestazioni, nonché il formato per la pubblicazione dei risultati dei test per ciascuna funzione. Lo scopo è aiutare gli utenti a valutare le funzioni di protezione su una base standardizzata relativamente alla selezione, all'impostazione, alla messa in funzione, all'applicazione e al funzionamento dei relè.

Standard sui relè disponibili e pianificati

Al momento della pubblicazione, gli standard IEC 60255-1xx già pubblicati sono:

IEC 60255-151:2009, Functional requirements for over/under current protection (relativo ai requisiti funzionali per la protezione da sovracorrente/sottocorrente)
IEC 60255-127:2010, Functional requirements for over/under voltage protection (relativo ai requisiti funzionali per la protezione da sovratensione/sottotensione)
IEC 60255-149:2013, Functional requirements for thermal electrical relays (relativo ai requisiti funzionali per i relè termoelettrici)
IEC 60255-121:2014, Functional requirements for distance protection (relativo ai requisiti funzionali per la protezione della distanza)
IEC/IEEE 60255-118-1:2018, Synchrophasor for power systems - measurements (relativo al sincrofasore per impianti elettrici e misurazioni)
IEC 60255-181:2019, Functional requirements for frequency protection (relativo ai requisiti funzionali per la protezione della frequenza)

I lavori sui seguenti standard si trovano in diverse fasi di sviluppo e si prevede che vengano completati e pubblicati nel seguente ordine:

IEC 60255-187-1, Functional requirements for restrained and unrestrained differential protection of motors, generators, and transformers (relativo ai requisiti funzionali per la protezione differenziale vincolata e non vincolata di motori, generatori e trasformatori)
IEC 60255-187-3, Functional requirements for biased (percentage) differential relays for transmission lines (relativo ai requisiti funzionali per relè differenziali polarizzati (percentuale) per linee di trasmissione)
IEC 60255-187-2, Functional requirements for busbar differential protection (relativo ai requisiti funzionali per la protezione del differenziale della barra di distribuzione)

Protezione della Smart Grid: IEC 60255-181:2019

Nel 2012 è stato creato un gruppo di lavoro ad hoc, AHG2 "New Protection requirements for the smart grid", che ha presentato il proprio rapporto al TC 95 nel 2014. Questo gruppo ha evidenziato la necessità di rivedere alcuni degli standard esistenti e di sviluppare nuovi standard tenendo conto dell'elevata penetrazione della generazione distribuita, che pone nuove sfide per la protezione. Le revisioni delle norme IEC 60255-1, IEC 60255-26 e del nuovo standard funzionale IEC 60255-181 sono state identificate come ad alta priorità.

Mentre gli standard IEC 60255-1 e IEC 60255-26 sono ancora in fase di revisione, il nuovo standard IEC 60255-181 per le funzioni di protezione della frequenza e del ROCOF è stato pubblicato nel febbraio 2019. Inoltre, lo standard IEC 60255-181 è stato adottato relativamente di recente (autunno 2019) come standard europeo EN IEC 60255-181, per essere utilizzato senza modifiche in 34 paesi europei.

Figura 1: Importanza della standardizzazione (per gentile concessione di https://www.slideshare.net/oeconsulting/standard-work-by-operationalexcellence-consulting)

Nuovo rapporto tecnico per applicazioni IEC 61850 nei protocolli di comunicazione

Il comitato TC 95 sta inoltre esaminando l'applicazione dello standard IEC 61850 nei sistemi dei relè di protezione. La norma IEC 61850 si riferisce alle reti e ai sistemi di comunicazione per l'automazione delle utenze elettriche. Per facilitare questo lavoro, il comitato ha creato un gruppo di lavoro dedicato (TC 95/WG 2) per rispondere all'uso di valori campionati digitali invece di ingressi analogici e di messaggi IEC 61850 GOOSE invece di ingressi e uscite binari. WG 2 sta preparando un rapporto tecnico (TR) che, al momento della stesura, ha il titolo provvisorio "Part 216-1: Guidelines for Requirements and Tests for Protection Functions with Digital Inputs and Outputs". La pubblicazione della presente relazione è prevista entro la fine del 2021.

Si prevede che il lavoro svolto da questo gruppo sarà coordinato con gli standard funzionali esistenti della serie IEC 60255- 1xx che considerano gli ingressi di tensione, corrente, temperatura, ecc. in forma analogica, oltre agli ingressi e alle uscite binari. Le future edizioni dello standard funzionale esistente, così come del nuovo, terranno conto degli ingressi di tensione, corrente, temperatura, ecc. in forma analogica e digitale in conformità alla norma IEC 61850, nonché degli ingressi e delle uscite binari e dei messaggi IEC 61850 GOOSE.

Gli standard non riguardano solo i produttori di relè!

Dopo aver spiegato il contesto di questi standard e discusso il loro stato, passiamo ora a considerare le loro applicazioni e i loro vantaggi. Molti ingegneri e tecnici che lavorano con sistemi di relè di protezione ritengono che gli standard si applichino solo ai produttori di relè e che gli utenti, in quanto tali, non debbano essere a conoscenza del loro contenuto. È un peccato perché, sebbene sia certamente vero che gli standard si applicano ai produttori di relè, è altrettanto vero che gli utenti potranno trarre vantaggio dalla conoscenza e dalla comprensione dei problemi affrontati dagli standard. Anche gli utenti dei relè devono infatti tenere conto del contenuto degli standard nel loro lavoro.

Ad esempio, lo standard IEC 60255-121:2014 per la funzione di protezione della distanza dispone di due metodi di test tra cui un produttore di relè può scegliere per misurare la precisione (detta precisione di base) di un relè di protezione della distanza [1]. Un metodo è chiamato "rampa pseudo-continua" e il secondo metodo è denominato "rampa one-shot". Per motivi tecnici, i due metodi possono fornire risultati diversi. Di conseguenza, il produttore deve fornire non solo il valore della precisione di base, ma anche il metodo utilizzato per valutarla. Inoltre, durante la messa in funzione, potrebbe essere necessario controllare la precisione del relè di protezione per verificare che sia in buone condizioni. Per questi test, è consigliabile utilizzare lo stesso metodo utilizzato dal produttore per essere sicuri di confrontare "mele con mele" ed evitare incomprensioni inutili nel caso in cui i risultati vengano messi in discussione.

Un altro esempio riguarda lo standard IEC 60255-181:2019 per le funzioni di protezione della frequenza e correlate alla frequenza [2]. Questo standard specifica una particolare rampa di frequenza, la cui formula si trova nell'allegato A della norma IEC 60255-181. Il test dei relè di frequenza con una rampa di frequenza diversa può determinare risultati imprevisti a seconda degli algoritmi dei relè e, ancora una volta, ciò può portare a discussioni non necessarie se il risultato del test viene dichiarato non valido. Poiché nessun tecnico addetto ai test né alcun utente finale desidera avere dubbi sul comportamento del relè di protezione durante la messa in funzione, è meglio utilizzare sempre la stessa rampa di frequenza standardizzata.

Non solo il tecnico addetto ai test deve essere a conoscenza di questi requisiti, ma si prevede che anche i produttori di apparecchiature di test implementino metodi di test standardizzati nei propri set di test. Come hanno mostrato questi due esempi, la catena di standardizzazione si estende ben oltre i produttori di relè.

Vantaggi per gli utenti

E gli utenti finali? È sufficiente specificare "i dispositivi di protezione relè devono essere conformi alle parti applicabili della serie IEC 60255-1xx degli standard funzionali"? Beh, quest'affermazione è meglio di niente. Garantisce che i relè di protezione utilizzati nel sistema siano stati almeno sottoposti a tutti i test richiesti dallo standard e che siano inoltre coperti dalle dichiarazioni essenziali che i produttori di relè devono fornire. Purtroppo, includendo tale affermazione non si garantisce che i relè di protezione soddisfino i requisiti per l'applicazione dell'utente. Ma com'è possibile?

La ragione è che la serie di standard IEC 60255-1xx non include i criteri di esito positivo/negativo per i test, eccetto alcuni casi molto particolari. Fornisce un'ampia serie di test standardizzati per verificare le prestazioni dei relè (tempo di funzionamento, tempo di avvio, precisione, sicurezza, ecc.), ma non indica quale sia il relè migliore perché varia in base all'applicazione.

Un altro esempio, relativo allo standard IEC 60255-121: 2014, potrebbe rendere più chiaro questo aspetto. Il relè di protezione della distanza A mostra un "tempo di funzionamento" tipico standardizzato di 18 ms, ma in altri test, il relè mostra una certa imprecisione nella selezione delle fasi difettose. Il relè B mostra un "tempo di funzionamento" tipico di 28 ms, ma tutti i test hanno mostrato che il relè segnala correttamente le fasi difettose. Se la mia applicazione ha solo un scatto trifase, posso decidere di utilizzare il relè A. Ma se la mia applicazione ha uno scatto monofase o multifase, con blocco delle operazioni di richiusura automatica quando vengono rilevati guasti multifase, la mia scelta sarà probabilmente il relè B.

Di conseguenza, si consiglia vivamente ai produttori di relè, ai produttori di apparecchiature di test di relè e ai tecnici della messa in servizio e manutenzione dei relè, ma anche agli utenti finali, di conoscere gli standard funzionali! Gli utenti finali devono creare profili utente che includano criteri di accettazione e requisiti relativi alle loro applicazioni specifiche. Tuttavia, creando questi profili, gli utenti saranno guidati dalle informazioni e dalle definizioni contenute negli standard [1] e [2]. Inoltre, gli utenti potrebbero adottare un sottoinsieme dei test standardizzati descritti nella serie IEC 60255-1xx come base per la formulazione dei test di accettazione. Infatti, non è raro vedere test di accettazione in fabbrica con riferimento diretto, o comunque ispirazione, agli standard della serie IEC 60255-1xx.

Come accennato in precedenza, gli standard contengono anche diverse dichiarazioni che i produttori di relè sono tenuti a creare per agevolare i processi tecnici coinvolti nella protezione delle sottostazioni elettriche. Sapere che i produttori devono fornire queste informazioni agevolerà i tecnici nella progettazione di sistemi di protezione affidabili. In questo caso, come in precedenza, non esistono criteri di esito positivo/negativo per queste dichiarazioni. Il grado di efficacia della risposta rappresenta una forma di valutazione per l'utente. Tuttavia, è chiaro che, se mancano alcune dichiarazioni, il fornitore non può rivendicare la conformità allo standard.

Ad esempio, particolare enfasi è data dagli standard alle attuali formule di dimensionamento dei trasformatori che i produttori sono tenuti a fornire, che ora devono essere in un formato matematico standardizzato. Infatti, ottenere un consenso nella comunità dei relè di protezione sull'importanza di queste formule per gli utenti dei relè è stato uno degli obiettivi più importanti raggiunti dal comitato TC 95/MT 4. I produttori di relè sono tenuti a eseguire test approfonditi per garantire la conformità a questo requisito, con vantaggi che includono progettazione e ingegneria dei sistemi di protezione più semplici, sicure e affidabili.

Vale la pena ricordare che gli standard non descrivono specificamente la messa in funzione o i test di routine per le funzioni di protezione. Tuttavia, a questi test possono essere applicate diverse clausole che consentono di ridurre al minimo il rischio di incomprensioni sulla verifica sul campo rispetto alle prestazioni dichiarate dal produttore del relè o richieste dall'utente, come spiegato in precedenza. Inoltre, i produttori di apparecchiature per test di relè devono implementare le definizioni e le metodologie di test descritte in dettaglio negli standard, in relazione ai test di messa in funzione e di manutenzione.

Molti sono in attesa del rapporto tecnico sulla norma IEC 61850

L'intera comunità di relè è in attesa del rapporto tecnico che TC 95/WG 2 sta preparando sulle applicazioni IEC 61850 per i valori campionati e GOOSE nelle applicazioni di protezione relè. Lo scopo del rapporto è fornire linee guida significative per l'uso della norma IEC 61850 nelle applicazioni di protezione, con molti requisiti che sono obbligatori nel rapporto ma non nello standard IEC 61850 stesso. Si può anche affermare che il rapporto fornisce un profilo di protezione relè per lo standard IEC 61850. Il report fornisce dettagli approfonditi sul bus di processo, sulle unità di unione, sulla sincronizzazione dell'ora e sui test. Si prevede che il lavoro svolto da questo gruppo sarà introdotto negli standard esistenti della serie IEC 60255-1xx che considerano la tensione, la corrente, la temperatura e altri ingressi solo in forma analogica, oltre a ingressi e uscite binari. Come già detto, le edizioni successive dello standard funzionale esistente, così come del nuovo, terranno conto di tensione, corrente, temperatura, ecc., ingressi in forma analogica e digitale in conformità alla norma IEC 61850, nonché degli ingressi e delle uscite binari e dei messaggi IEC 61850 GOOSE. Una volta pubblicato il rapporto, le parti più significative di esso saranno integrate nella serie IEC 60255-1xx diventando standard IEC completi [3].

Conclusioni

In conclusione, abbiamo visto che per i produttori di relè, gli standard forniscono requisiti dettagliati a cui devono aderire. Per gli utenti finali, forniscono indicazioni chiare e inequivocabili sulle prestazioni che i relè devono fornire e sulla documentazione che possono aspettarsi dai produttori. Per i produttori di apparecchiature di test per relè, gli standard stabiliscono i metodi di test che si prevede che vengano forniti. I tecnici addetti ai test hanno un'attività più semplice. L'uso dei concetti e dei metodi standardizzati da parte di tutte le sezioni della comunità di protezione riduce al minimo le incomprensioni nelle fasi di approvvigionamento, ordine, messa in servizio/manutenzione e FAT/SAT. Questa comprensione tecnica comune facilita un percorso di progetto più fluido, rapido ed economico. In breve, gli standard della nuova serie IEC 60255-1xx sono rilevanti e importanti per tutti coloro che lavorano con sistemi di protezione relè, qualunque sia il loro ruolo in questa meravigliosa comunità tecnica.

Nota dell'editor: Questo articolo è scritto dagli autori per conto dei comitati/gruppi di lavoro IEC menzionati e non per conto delle loro società affiliate. Il redattore di Electrical Tester esprime gratitudine per i notevoli sforzi compiuti in termini di tempo e competenza nella stesura di questo articolo e ringrazia in particolar modo le affiliate degli autori per la partecipazione attiva e l'allocazione di risorse importanti nel lavoro di standardizzazione, un'attività che va oltre la pura attività quotidiana.

Riferimenti

[1] Bonetti, Andrea, Murty V.V.S. Yalla e Stig Holst. "The IEC 60255-121:2014 Standard and Its Impact on Performance Specification, Testing and Evaluation of Distance Protection Relays". Nella Conferenza ed esposizione IEEE PES sulla trasmissione e distribuzione 2016 (T D), 1–6, 2016. https://doi.org/10.1109/TDC.2016.7520031

[2] Bonetti, Andrea, Janez Zakonjsek e Urban Rudez. "Bringing ROCOF into Spotlight in Smart Grids: New Standardization and UFLS Method", 2020. https://doi.org/10.1109/GPECOM49333.2020.9248722

[3] Leitloff, Volker, Hao Chen, Dehui Chen, Andrea Bonetti, Lei Xu e Ahmed Mohamed. "Standardisation Challenges for Digital Inputs and Outputs of Protection Functions in IEC 60255 Series". In ResearchGate. Glasgow, UK, 2019. https://www.researchgate.net/publication/334050781_Standardisation_Chal…

Informazioni sugli autori

Andrea Bonetti - Andrea è uno specialista senior nella protezione dei relè e nelle applicazioni IEC 61850 presso Megger Sweden AB. È un membro attivo della IEC:

Membro di IEC TC 95/MT 4. Measuring relays and protection equipment - Functional standards.
Membro di IEC TC 95/WG 2. Protection functions with Digital Input/Output.
Membro di IEC TC JWG 17. Documentation of communication in power utility automation.
Andrea ha ricevuto il premio IEC 1906 nel 2013. È membro corrispondente di CIGRÉ WG B5.53.

https://www.linkedin.com/in/bonetti-andrea/

Murty Yalla - Murty è presidente di Beckwith Electric Co, Florida USA. Murty è un membro attivo della IEC:

Presidente del IEC TC 95.
Coordinatore del TC 95/MT 4.
Murty ha ricevuto il premio IEC 1906 nel 2010.

È membro attivo di IEEE, NERC e CIGRÉ ed è stato eletto Fellowship nel 2006 dall'IEEE Fellow Committee per il suo contributo ai relè a elaborazione elettronica per impianti di alimentazione.

https://www.linkedin.com/in/dr-murty-vvs-yalla-08014515/

Thierry Bardou - Thierry è un ingegnere senior per i relè di protezione di Schneider Electric. Thierry è un membro attivo della IEC:

Segretario del IEC TC 95 "Measuring relays and protection equipment".
Membro di IEC TC95/MT4 "Measuring relay and Protection equipment – Functional standard".
Membro di IEC ACTAD (Advisory Committee on Electricity Transmission and Distribution).

https://www.linkedin.com/in/thierry-bardou-40527b68/

Volker Leitloff - Volker è un esperto nella protezione e nell'automazione del dominio con l'RTE (TSO francese). Volker è un membro attivo della IEC:

Coordinatore di IEC TC 95/WG 2 "Protection functions with Digital Input/OutputProtection functions with Digital Input/Output".
Presidente di IEC TC 38 e CENELEC TC 38 "Instrument Transformers" e membro di IECTC 38 WG 37 e WG 47.
Membro di TC 95/MT 4 "Measuring relays and protection equipment - Functional standards".

Volker è un membro attivo di CIGRÉ: