ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО РАЗГРУЗКИ ПО ЧАСТОТЕ И НАПРЯЖЕНИЮ

Изобретение относится к технике релейной защиты и противоаварийной автоматики и предназначено для предотвращения аварийного снижения частоты и ее восстановления до заданного в энергосистеме уровня путем автоматического отключения части потребителей (автоматическая частотная разгрузка) при возникновении дефицита активной мощности, и/или снижения напряжения (автоматическое ограничение снижения напряжения) и для автоматического включения отключенных потребителей после ликвидации аварийного дефицита мощности (автоматическое повторное включение по частоте).
Известное устройство для блокировки включения секционного выключателя [А.С Н02Н 11/00 №1702480 Бюл. №48 1991 г.], содержащее два трансформатора, управляемый ключ, диод, сглаживающий контур, реагирующий орган и реле, позволяет управлять выключателями по необходимости, имеет небольшие габариты, но обладает ограниченными функциональными возможностями в части частотной разгрузки.
Известное микропроцессорное многофункциональное устройство реле частоты [Патент RU G01R 23/00,H02H 3/46 №2171475 Бюл. №21 27.07.01], содержащее аналого-цифровой преобразователь, масштабный усилитель, блок сравнения, два регистра памяти, микропроцессор, блок ввода-вывода и микропроцессорную систему, позволяет организовать частотную разгрузку различных энергосистем в условиях аварийного дефицита активной мощности, но имеет относительно большие габариты, достаточно сложную схему устройства и непростое взаимодействием с ним обслуживающего персонала при эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением является микропроцессорное устройство автоматической частотной разгрузки [Патент RU7H02 H3/46, H02J 11/00, G01R 23/00 №2230414 Бюл. №16 10.06.04], содержащее блок сравнения, блок запрета, два регистра памяти, микропроцессор выполняющий логическую обработку поступающей информации, сравнение измеренных параметров контролируемого аналогового сигнала с уставками, отсчет выдержек времени и формирование команд сигнализации, блок ввода-вывода, счетчик и таймер, позволяет организовать частотную разгрузку различных энергосистем в условиях аварийного дефицита активной мощности.
Прототип также имеет относительно большие габариты и ограниченные функциональные возможности - разгрузка только по частоте.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и снижение его габаритных размеров при сохранении основных функций.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее два регистра памяти, микропроцессор, блок ввода-вывода и таймер, причем вторая группа входов-выходов блока ввода-вывода соединена с первой группой входов-выходов микропроцессора, введены блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения, формирователь аналоговых сигналов и узлы для связи с ПЭВМ и АСУ, причем группа входов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения является группой входов устройства, первая, вторая и третья группа входов-выходов которого является, соответственно, первой группой входов-выходов узла для связи с ПЭВМ, узла для связи с АСУ и блока ввода-вывода, вторая группа входов-выходов которого соединена с группой входов-выходов таймера, группа выходов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения является группой входов формирователя аналоговых сигналов, группа выходов которого является группой входов микропроцессора, вторая, третья и четвертая группа входов-выходов которого, является, соответственно, второй группой входов-выходов узла для связи с ПЭВМ, узла для связи с АСУ и третьей группой входов-выходов блока ввода-вывода, пятая группа входов-выходов микропроцессора является группой входов-выходов первого и второго регистров.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства.
На фиг.2 - пример реализации блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения.
На фиг.3 - пример реализации формирователя аналоговых сигналов.
На фиг.4 - пример реализации блока ввода-вывода.
На фиг.5 - внешний вид прототипа и заявляемого устройства.
На фиг.1 - обозначены:
1 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения;
2 - формирователь аналоговых сигналов;
3 - микропроцессор, например AT91SAM7S256-AU-001 или аналогичный, содержащий:
ADC - аналого-цифровой преобразователь;
PU - центральный процессор;
порты:
- I2C и SPI (последовательные каналы);
- OUT (последовательно-параллельный канал);
U0 и U1 - каналы драйверов для связи с ПЭВМ и АСУ;
4 - драйвер для связи с ПЭВМ типа MAX3232EEWE фирмы ″Maxim″ или аналогичный (канал RS-232);
5 - драйвер для связи с АСУ типа SN65LBC184D фирмы ″Texas Instruments″ или аналогичный (канал RS-485);
6 - таймер, например DS3231SN фирмы ″Dallas Semicoductor″ или аналогичный;
7 - первый регистр памяти, например AT45DB642D-TU фирмы ″Аtmеl″ или аналогичный;
8 - второй регистр памяти, например FM25CL64-G фирмы ″Ramtron″или аналогичный;
9 - блок ввода-вывода;
10 - группа сигналов напряжения (1U и 2U) защищаемого объекта;
11 - группа входов-выходов для связи с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ) - канал RS-232;
12 - группа входов- выходов для связи с АСУ- канал RS-485;
13 - канал I2C;
14 - канал OUT;
15 - канал SPI;
16 - группа входов-выходов для связи с внешними устройствами т.е. входы-выходы устройства аналогового ввода-вывода (УABB) и входы-выходы устройства дискретного ввода-вывода (УДВВ).
На фиг.2 обозначены:
17 - операционный усилитель преобразования и масштабирования входных сигналов. В качестве операционного усилителя можно использовать микросхему типа AD8602 фирмы ″Analog Devices″ или аналогичную;
1
2
l, l - узлы гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения;
R - резисторы типа RT 0805 BRD07 фирмы ″Yageo″ или аналогичные;
С - конденсаторы типа CC0805KRX9BN104 фирмы ″Yageo″ или аналогичные;
1
C - конденсатор типа T491B685M010AS фирмы ″Kemet″ или аналогичный;
Т - трансформаторы напряжения типа ТН или аналогичные;
Д - сборка диодная типа BAV99 фирмы "PHI" или аналогичная;
1
V - напряжение 1,65 В;
2
V - напряжение 3,3 В.
На фиг.3 обозначены:
1.1
1.2
2
2, 2, 2 - узлы формирования аналоговых сигналов по напряжению;
1
R - резисторы типа RC0805FR07 фирмы ″Yageo″ или аналогичные.
На фиг.4 обозначены:
18 - регистр типа MAX7315AUE фирмы ″Maxim″ или аналогичный;
19 - источник питания;
20 - пульт управления;
21 - узел индикации;
22 - лицевая панель с клавиатурой и светодиодами;
23, 24 - регистры светодиодов и кнопок типа MAX7315AUE фирмы ″Maxim″ или аналогичные;
25 - устройство дискретного ввода-вывода (УДВВ);
26 - устройство аналогового ввода-вывода (УABB).
На фиг.5 обозначены:
27 - прототип;
28 - заявляемое устройство.
Цифровое устройство разгрузки по частоте и напряжению содержит блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения 1, формирователь аналоговых сигналов 2, микропроцессор 3, узлы для связи с ПЭВМ 4 и АСУ 5, таймер 6, два регистра памяти 7, 8 и блок ввода-вывода 9, вторая группа входов-выходов 13 блока ввода-вывода 9 соединена с первой группой входов-выходов I2C микропроцессора 3 и группой входов-выходов таймера 6, группа входов 10 блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения 1 является группой входов устройства, первая 11, вторая 12 и третья 16 группа входов-выходов которого является, соответственно, первой группой
входов-выходов узла для связи с ПЭВМ 4, узла для связи с АСУ 5 и блока ввода-вывода 9, группа выходов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения 1 является группой входов формирователя аналоговых сигналов 2, группа выходов которого является группой входов микропроцессора 3, вторая U0, третья U1 и четвертая OUT группа входов-выходов которого, является, соответственно, второй группой входов-выходов узла для связи с ПЭВМ 4, узла для связи с АСУ 5 и третьей 14 группой входов-выходов блока ввода-вывода 9, пятая группа SPI входов-выходов 15 микропроцессора 3 является группой входов-выходов первого 7 и второго 8 регистров.
Устройство обеспечивает выполнение;
- автоматической частотной разгрузки без выдержки времени с возможностью блокировки по скорости снижения частоты (АЧР1);
- автоматической частотной разгрузки с выдержкой времени с возможностью контроля напряжения (АЧР2);
- автоматической частотной разгрузки по скорости снижения частоты (АЧРС);
- совмещенной (комбинированной) разгрузки, объединяющей функции АЧР1, АЧР2 и АЧРС;
- автоматического ограничения повышения частоты с выдержкой времени, с возможностью ускорения по скорости изменения частоты, с выдачей команд отключения и регулирования (АОПЧ);
-автоматического повторного включения по частоте с возможностью контроля напряжения (ЧАПВ);
- автоматической разгрузки по снижению напряжения (АРСН).
Устройство обеспечивает следующие эксплуатационные возможности:
- "местный" (от ПЭВМ) и "дистанционный" (от АСУ) ввод, хранение, переключение и отображение любого из двух пакетов (программ) уставок;
- измерение или вычисление текущих электрических параметров контролируемой сети по одному или по двум напряжениям, подаваемым от одной или от разных секций;
- фиксацию, хранение и отображение аварийных электрических параметров сети;
цифровую регистрацию параметров аварийного процесса (осциллографирование);
непрерывный оперативный контроль работоспособности (самодиагностику) в течение всего времени работы;
- двусторонний обмен информацией с АСУ или ПЭВМ по стандартным последовательным каналам связи RS-232 или RS-485 по протоколу обмена MODBUS;
- блокирование алгоритмов АЧР при снижении контролируемого напряжения ниже уставки.
Устройство измеряет или вычисляет следующие параметры:
- действующие значения основной частоты F напряжений 1U или 2U;
AB
BC
- обратную последовательность напряжений (при подключении в качестве 1U и 2U междуфазных напряжений U и U одной секции);
- частоты суммы векторов 1U и 2U;
- скорости снижения частоты S суммы векторов 1U и 2U;
- скольжение частоты S между двумя каналами подключенных напряжений 1U и 2U;
ном
- контролирует нижний уровень напряжения сети (0,6 U) при котором может нарушиться достоверность измерений.
Частота сигнала измеряется по сумме длительностей полупериодов напряжения:
1
где T - длительность нечетного полупериода;
2
Т - длительность четного полупериода.
Скорость изменения частоты вычисляется как первая производная частоты сигнала по времени:
где dF - приращение частоты за время dt;
dt - малый интервал времени.
Для оценки первой производной частоты применяется метод численного дифференцирования данных:
Для оценивания частоты периодического сигнала применяется временной метод измерения.
Устройство производит измерение двух напряжений 1U и 2U.
Для измерения частоты в качестве основного («рабочего») принимается напряжение 1U.
При снижении в течение 10 с напряжения 1U ниже уставки ″1U->2U″ контролируемым становится «резервное» напряжение 2U.
После этого, если напряжение 1U поднимется выше уставки ″1U->2U″ в течение 10 с, контролируемым опять станет напряжение 1U.
В случае перехода на «резервное» напряжение (2U) и снижения обоих напряжений ниже уставки ″1U->2U″ функции АЧР блокируются.
Аппаратно выполнение алгоритмов реализовано следующим образом:
1
2
1.1
1.2
2
контролируемые сигналы 10 от первичных трансформаторов напряжения защищаемого объекта поступают на промежуточные трансформаторы Т узлов гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения 1 и 1.Промежуточные трансформаторы Т обеспечивают гальваническую развязку и предварительное масштабирование входных сигналов. Первичные обмотки трансформаторов обеспечивают заданную термическую стойкость при перегрузках. Усилители, реализованные на микросхеме 17, диодных сборках Д, резисторах R служат для предварительного масштабирования сигналов промежуточных трансформаторов. С выходов усилителей 17 сигналы поступают на входы формирователя аналоговых сигналов 2, узлы формирования аналоговых сигналов 2, 2 и 2 которого служат для точного масштабирования сигналов и согласования импедансов промежуточных трансформаторов и аналого-цифрового преобразователя ADC микропроцессора 3. Конденсаторы С, в цепи обратной связи усилителей 17, являются фильтрами нижних частот - пропускают составляющие напряжения определенной частоты и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами, искажающими синусоиду напряжения. Далее аналоговые сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь ADC микропроцессора 3 для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую), т.к. последующая обработка сигналов производиться центральным процессором PU. Работой аналого-цифрового преобразователя ADC управляет процессор PU микропроцессора 3, который обеспечивает цифровую фильтрацию входных сигналов, расчет вторичных электрических параметров сети, выполнение процедур самодиагностики, а также поддерживает обмен, с входящими в блок ввода-вывода 9, пультом управления 20, узлом индикации 21, по каналу 13, лицевой панелью 22, с клавиатурой и светодиодами, через регистры 23 и 24, а также с устройствами ввода-вывода 25 и 26, по каналу 14.
Если нижний уровень входного напряжения в норме, то микропроцессор 3 формирует последовательность прямоугольных импульсов с частотой контролируемого аналогового сигнала, т.е. из исходного сигнала формируется бинарный сигнал ″меандр″, который
переключает между собой два канала измерения временных интервалов (таймера микропроцессора через порт I2C и таймера 6). Синхронизация таймера 6 осуществляется сигналом микропроцессора деленным до частоты полупериода. Таким образом один таймер измеряет длительность четного полупериода, а другой - нечетного. Каждый переход контролируемого напряжения через ноль активирует включение одного из таймеров, остановку счета второго таймера и считывание его значения. Такая реализация позволяет правильно обрабатывать возможные колебания управляющего сигнала ″меандр″ типа 0-1-0 в зоне перехода через ноль контролируемого напряжения. В каждый момент времени в памяти микропроцессора хранится N оценок длительности полупериодов в отсчетах таймера.
i
t
i
T=K·t, i=1...N
i
где Т - текущая оценка длительности полупериода тактов;
т
К - длительность квантования по времени. Текущая оценка частоты сигнала вычисляется один раз за период по формуле:
где  - текущая оценка частоты;
i
Т - длительность текущего полупериода;
i-1
Т -длительность предыдущего полупериода. Для уменьшения воздействия шумов и случайных процессов первичная информация о частоте сглаживается с учетом весовых коэффициентов:
i
где F - сглаженная оценка частоты;
1
2
3
К, К, К - весовые коэффициенты.
Выбор весовых коэффициентов осуществляется на этапе разработки по результатам моделирования и макетных испытаний.
Измерение скорости изменения частоты.
Исходной информацией для измерения скорости изменения частоты являются массивы N сглаженных оценок частоты и длительностей полупериодов.
Оценка скорости вычисляется один раз за полупериод согласно формуле:
где  - текущая оценка скорости изменения частоты на основе N отсчетов частоты;
i
F - текущая оценка скорости изменения частоты;
i-n
ый
F - оценка скорости изменения частоты за N прошлый период;
i-к
t - оценка длительности N полупериодов. Результаты измерений накапливаются в памяти микропроцессора 3. Сюда же, в порт OUT, по шине 14 из блока ввода-вывода 9 поступает информация о состоянии дискретных входов, а в порт I2C, по шине 13, - информация с клавиш клавиатуры лицевой панели 22 блока ввода-вывода 9. Микропроцессор 3 производит логическую обработку поступающей информации (сравнение измеренных параметров контролируемого аналогового сигнала с уставками, отсчет выдержек времени и т.д.) и формирует команды сигнализации, которые передаются по шине 14 на светодиоды пульта управления 20 и на выходные реле установленные в УАВВ 26 блока ввода-вывода 9. Кроме того, микропроцессор 3 готовит информацию для отображения на индикаторах дисплея 21.
Устройство, не только выполняет все функции прототипа, но и обеспечивает:
- автоматическую разгрузку по снижению напряжения (блокировка АЧР по контролю 1U и 2U);
- ″местный″ (от ПЭВМ) и ″дистанционный″ (от АСУ) ввод, хранение, переключение и отображение любого из двух пакетов (программ) уставок.
Для надежности в устройстве имеется система самодиагностики, которая состоит из двух подсистем - фоновой самодиагностики, которая обеспечивает контроль работоспособности основных узлов устройства в течении всего срока эксплуатации и набора тестов, запускаемых по вызову.
Фоновая самодиагностика выполняется непрерывно, в течении всего времени работы устройства, обеспечивая контроль работоспособности всех основных узлов. Результаты самодиагностики анализируются микропроцессором 3.
В состав диагностики входят:
-проверка дискретных входов;
-тестирование дисплея (программные известные методы);
-тестирование клавиатуры (программные известные методы).
Таким образом, устройство имеет расширенные функции и меньшие (в два раза) габариты (фиг.5) (исключены блок сравнения, блок запрета и счетчик).