Аналоговое устройство сопряжения

Область техники
Настоящая полезная модель относится к электронным устройствам, а именно к аналоговым устройствам сопряжения, и может быть использована в составе программно-технических комплексов для цифровых электрических подстанций.
Уровень техники
Прототипом настоящей полезной модели является устройство нормализации цифровое, предназначенное для преобразования входного унифицированного сигнала постоянного тока в цифровую форму и передачи значений сигнала в сеть Ethernet по цифровому протоколу передачи данных (Режим доступа: http://www.prosoftsystems.ru/catalog/show/ustrojstvo-normalizacii-cifrovoe-unc1, дата обращения: 2019, апрель). Известное устройство содержит не более восьми входных аналоговых каналов, двух интерфейсов Ethernet. Форматом цифровых выходных данных, поддерживаемых данным устройством, является МЭК 61850-8-1 (GOOSE).
Известное устройство имеет ряд конструктивных сходств с заявленным преобразователем аналоговых сигналов, однако требует доработки для того, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к аналоговым устройствам сопряжения.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническая задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в расширении арсенала технических средств, предназначенных для преобразования аналоговых сигналов в цифровые.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в обеспечении возможности преобразования аналоговых сигналов в цифровые и их выдачи в соответствии с протоколами стандарта МЭК-61850.
Технический результат достигается за счет того, что аналоговое устройство сопряжения содержит объединительную плату и взаимодействующие с ней модуль формирования питающих напряжений, который снабжен клеммами питания, модуль ввода фазных напряжений, который снабжен аналоговыми входами напряжения, модуль ввода фазных токов, который снабжен аналоговыми входами переменного тока, и процессорный модуль, который снабжен интерфейсами Ethernet для конфигурирования и выдачи данных и включает блок ввода и преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид, блок выдачи значений аналоговых сигналов по цифровым протоколам, блок синхронизации собственной шкалы времени по внешним сигналам, который снабжен интерфейсом BNC для приема сигналов синхронизации времени в форматах IRIG-B или 1PPS, при этом из интерфейсов Ethernet, которым снабжен процессорный модуль, выполнен с возможностью подключения к шине процесса по протоколам стандарта МЭК-61850.
В частном варианте осуществления процессорный модуль может дополнительно снабжен дискретными выходами сигнализации типа «сухой контакт».
Некоторые термины, упомянутые в формуле настоящей полезной модели, определены ниже, чтобы обеспечить дополнительную ясность.
Под термином «интерфейс Ethernet» понимается электрический разъем для обеспечения технологии пакетной передачи данных между устройствами для компьютерные и промышленный сетей.
Под термином «интерфейс BNC» понимается электрический разъем с байонетной фиксацией, предназначенный для подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом и диаметром до 8 мм.
Под термином IRIG-B понимается протокол синхронизации времени, в соответствии с которым предоставляют информацию о времени и дате наряду с импульсами синхронизации.
Под термином 1PPS понимается протокол синхронизации времени, в соответствии с которым предоставляют точный импульс синхронизации времени без информации о времени и дате.
Настоящая полезная модель проиллюстрирована одной фигурой, на которой представлена функциональная схема заявленного аналогового устройства сопряжения.
Осуществление полезной модели
В соответствии с представленной фигурой, преобразователь аналоговых сигналов содержит объединительную плату 1, с которой взаимодействуют модуль формирования питающих напряжений 2, модуль ввода фазных напряжений 3, модуль ввода фазных токов 4, и процессорный модуль 5.
Модуль формирования питающих напряжений 2 снабжен клеммами питания, модуль ввода фазных напряжений 3 снабжен аналоговыми входами напряжения, модуль ввода фазных токов 4 снабжен аналоговыми входами переменного тока, процессорный модуль 5 снабжен интерфейсами Ethernet для конфигурирования и выдачи данных, при этом из интерфейсов Ethernet, которыми снабжен модуль 5, выполнен с возможностью подключения к шине процесса по протоколам стандарта МЭК-61850.
Процессорный модуль 5 включает в себя взаимосвязанные блок ввода и преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид 6, блок выдачи значений аналоговых сигналов по цифровым протоколам 7, блок синхронизации собственной шкалы времени по внешним сигналам 8, блок индикации режима работы 9, блок самодиагностики 10, блок программного конфигурирования режима работы 11, блок защиты от несанкционированного доступа органов управления и конфигурирования 12 и блок формирования диагностических сообщений о неисправностях 13.
Блок синхронизации собственной шкалы времени по внешним сигналам 8 снабжен интерфейсом BNC для приема сигналов синхронизации времени в форматах IRIG-B или 1PPS.
При этом процессорный модуль может быть дополнительно снабжен дискретными выходами сигнализации типа «сухой контакт».
Дополнительно блок самодиагностики 10 выполнен с возможностью контроля наличия сигнала синхронизации времени, исправности цепей нормализации переменных напряжений и токов по отсутствию постоянной составляющей в сигналах этих цепей, невыхода температуры процессорного модуля за допустимый верхний предел, общей работоспособности микропроцессорной части.
Аналоговые входы модуля ввода фазных напряжений 3 и модуля ввода фазных токов 4 гальванически развязаны от всех других электрических цепей аналогового устройства сопряжения. При этом дискретные выходы процессорного модуля 5 также гальванически развязаны от всех других электрических цепей заявленного устройства.
Заявленное устройство позволяет обеспечить преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму вблизи их источника. В связи с этим пропадает необходимость подведения многожильных кабелей к датчикам и измерительным трансформаторам, а вся обрабатываемая в сети информация передается от источника по цифровым каналам связи. Это обеспечивает экономию на материалах, используемых для изготовления коммутирующих кабелей, в частности меди, а применение цифровой обработки сигналов обеспечивает надежность их передачи.
Заявленное устройство может быть использовано следующим образом.
Традиционно на цифровых электрических подстанциях используются  измерительные трансформаторы для осуществления измерений электрических параметров, включающих в себя значения токов и напряжений. Заявленное аналоговое устройство сопряжения может быть установлено вблизи упомянутых трансформаторов и соединено с ними посредством аналоговых входов модулей 3-4. На эти входы подаются токи и напряжения с измерительных трансформаторов, а на выходе модуля 5 формируются значения измерений в цифровой форме в соответствии с протоколами стандарта МЭК 61850, которые могут быть переданы посредством, к примеру, локальной вычислительной сети на любые другие устройства вычислительной техники для дальнейшей обработки, к примеру, в системе сбора данных класса SCADA.
В другом примере использования, источником сигналов может выступать аналоговый датчик. Примером такого датчика может являться датчик температуры, который меняет свое сопротивление в зависимости от температуры среды. Значение температуре в таком случае оценивают в соответствии с изменениями протекающего через такой датчик тока. Оцифрованные данные могут быть переданы на цифровые выходы для использования другими устройствами программно-технического комплекса «Цифровая подстанция».
Полезная модель создана в рамках работ по проекту «Разработка масштабируемого программно-технического комплекса для управления электрическими подстанциями на базе протокола МЭК 61850», реализуемому в рамках Соглашения № 075-02-2018-1219 от 15 ноября 2018 г. (внутренний номер соглашения 14.578.21.0226, дата начала реализации проекта 26 сентября 2017 г.) между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI57817X0226, государственный номер учета НИОКРТ АААА-А17-117122990006-4, индустриальный партнер по проекту ООО "Прософт-Системы".