МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ
MICROPROCESSOR-BASED POWER SYSTEM PROTECTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области защиты электрических линий и приборов, в частности к микропроцессорному устройству релейной защиты и автоматики (МУРЗ) электрических сетей 6-35 кВ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики присоединений (патент № 140341, 10.05.2014), выполненное в прямоугольном металлическом корпусе, в виде кассеты блочно-унифицированной конструкции, состоящее из следующих основных узлов: блок питания, блок трансформаторов тока, блок дискретных входов, блок выходных реле, органы оповещения и оперативного взаимодействия оператора с устройством на лицевой панели корпуса и блок центрального процессора, обеспечивающий взаимодействие между всеми входящими в состав устройства блоками в соответствии с алгоритмами защиты и содержащий регистратор событий, причем органы оповещения и оперативного взаимодействия оператора с устройством выполнены в виде сенсорного дисплея, выполненного с возможностью управления с помощью кнопок на экране дисплея, в блок центрального процессора введены элементы аудиовизуализации, блок задания уставок и элемент связи USB, выведенный на лицевую панель корпуса.
Основным недостатком известного решения является его ограниченные функциональные возможности, что приводит к его низкой универсальности применения, в частности не могут быть выполнены следующие функции: защита минимального напряжения (ЗМН), защита от повышения напряжения (ЗПН), контроль исправности цепей напряжения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение надежности работы электрических сетей 6-35 кВ, обеспечение стабильного электроснабжения, а также расширение функциональных возможностей за счет реализации функции контроля напряжения.
Техническим результатом является повышение надежности работы электрических сетей 6-35 кВ за счет реализация функции контроля напряжения.
Дополнительными техническими результатами являются обеспечение работы максимальной токовой защиты без оперативного питания за счет конструкции блока питания, а также возможность удаленной установки лицевой панели управления от основного корпуса за счет выполнения ее съемной.
Заявленный результат достигается за счет микропроцессорного устройства релейной защиты и автоматики, которое содержит корпус, в котором установлены, объединенные общей шиной данных:
− процессорный модуль, содержащий один или более процессоров и модуль часов реального времени, осуществляющий основную вычислительную обработку;
− блок памяти, содержащий ПЗУ и ОЗУ;
− интерфейсы связи, выполненные с возможностью связи с внешними вычислительными устройствами;
− модули релейной защитной автоматики (РЗА), соединенные с процессорным модулем и включающие в себя измерительные модули, состоящие из модуля аналоговых выходов и модуля дискретных выходов, модуля реле, представлявшего собой модуль дискретных выходов, и совмещенный модуль дискретных входов/выходов;
− лицевую панель, подключаемую посредством проводного интерфейса связи, содержащую микроконтроллер, интерфейсы связи с внешними вычислительными устройствами, дисплей, светодиоды, клавиатуру, причем лицевая панель выполнена съемной с возможностью удалённого управления МУРЗ;
− блок питания, выполненный с возможностью сохранения работоспособности устройства при потери оперативного питания;
− и модуль аналоговых входов содержит АЦП, предназначенный для преобразования поступающих аналоговых сигналов, содержит гальванически развязанные входные каналы и служит для измерения токов и напряжений по трем фазам и нулевой последовательности. В частном варианте осуществления интерфейсы связи представляют собой RS-485, и/или Ethernet, и/или USB.
В частном варианте осуществления ПЗУ представляет собой flash-память, SD карту, eMMC, Data Flash или их сочетание.
В частном варианте осуществления лицевая панель подключается к процессорному модулю по USB интерфейсу.
В частном варианте осуществления лицевая панель содержит USB интерфейс для подключения внешних вычислительных устройств.
В частном варианте осуществления модуль дискретных входов представляет гальванически развязанные входные дискретные каналы, управляемые напряжением внешнего источника и предназначенные для приема команд от внешних устройств.
В частном варианте осуществления модуль дискретных выходов осуществляет выдачу сигналов управления и сигнализации по гальванически развязанным контактным выходам.
В частном варианте осуществления модуль дискретных входов/выходов выполняется с возможностью представления гальванически развязанных входных дискретных каналов, управляемых напряжением внешнего источника и предназначенных для приема команд от внешних устройств, и выдачей сигналов управления и сигнализации по гальванически развязанным контактным выходам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует общую схему заявленного устройства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
МУРЗ предназначено для выполнения функций релейной защиты и автоматики (РЗА), управления и сигнализации воздушной (ВЛ) или кабельной линии электропередачи напряжением 6–35 кВ. Устройство может устанавливаться в релейных отсеках комплектных распределительных устройств (КРУ), комплектных распределительных устройств наружной установки (КРУН) и камер сборных одностороннего обслуживания (КСО), на панелях и в шкафах в релейных залах и на пультах управления, а также в релейных шкафах наружной установки на открытых распределительных устройствах (ОРУ).
Согласно Фиг. 1 заявленное МУРЗ (100) содержит основной вычислительный процессорный модуль (101), который может содержать один или более процессоров. Процессорный модуль (101) обеспечивает передачу, нормирование, оцифровку, считывание, диагностику подключаемых дискретных, аналоговых, сетевых модулей, а также отвечает за работу логики РЗА, хранит настройки алгоритмов, журналы и осуществляет управление выходными реле устройства.
Процессорный модуль (101) содержит также часы реального времени (RTC) (102), которые позволяют фиксировать текущее время события.
С процессорным модулем (101) связан блок памяти (103), который содержит ОЗУ и ПЗУ. ОЗУ предназначено для выполнения программного алгоритма во время работы устройства, а также для хранения входных, выходных и промежуточных данных, обрабатываемых процессором.
ПЗУ, в частности, выполняется в виде DataFlash,  eMMC, SD, NAND или их сочетаний, в зависимости от реализации устройства (100).
DataFlash - описывает устройство ПЗУ размером около 8Мб предназначенным для хранения загрузчика «второго уровня», ядра ОС, уставок и других конфигурационных файлов. eMMC/SD/NAND - описывает устройство ПЗУ, размером свыше 1024 Мб, предназначенное для хранения корневой файловой системы и файлов записи журналов, регистратора, файлов осциллограмм. Корневая файловая система включает в себя исполняемые файлы для корректной работы блока релейных защит. Если DataFlash отсутствует то на этой ПЗУ выделяется раздел который хранит загрузчик, ядро настройки, уставки защит и другие конфигурационные файлы.
Первый уровень загрузчика обеспечивает: самодиагностику и тестирование устройства; обработку аналоговых и дискретных входных - выходных сигналов; работу защит, автоматики, сигнализации и управления; запись и чтение журнала аварий; запись и чтение журнала сообщений и осциллограмм; определение места повреждения; работу клавиатуры, светодиодов, пульта; работу последовательных каналов; поддержку часов реального времени.
Второй уровень загрузчика обеспечивает: конфигурацию и уставки защит, автоматики, сигнализации и управления; дополнительные алгоритмы, созданные пользователем и учитывающие особенности защищаемого присоединения; настройки свободно назначаемых выходных реле; настройки оперативных и аварийных событий, созданные пользователем; настройки состава осциллограмм; настройки свободно назначаемых светодиодов; настройки коммуникаций для связи с АСУ; настройки функций синхронизации времени блока.
К процессорному модулю также подключен АЦП (104), предназначенный для преобразования поступающих аналоговых сигналов на устройство (100). Особенностями АЦП (104) является высокая степень интеграции при небольшом энергопотреблении – в среднем 2 мВт/канал. АЦП (104) являются интегрированным решением, содержащим, как правило, следующие блоки:
1) 24(16)-битные сигма дельта АЦП, по одному на канал, с возможностью одновременного измерения;
2) источник опорного напряжения (ИОН);
3) усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA),
4) компараторы для обнаружения сбоев в линии;
5) для тестирования сигнального тракта в АЦП встроен генератор сигналов.
Такая интеграция позволяет упростить сигнальный тракт и обеспечить полную обработку сигнала на минимальной площади. Для согласования входных величин и гальванической развязки используются измерительные трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН).
Диапазон входного напряжения АЦП ±4 В.
К центральной плате по общей шине данных к процессорному модулю (101) подключены модули РЗА (106), содержащие измерительные модули (аналоговых (1061) и дискретных входов (1062)), модуль группы реле (1064) (дискретных выходов) и совмещенный модуль дискретных входов/выходов (1063).
Модуль аналоговых входов (1061) представляет собой гальванически развязанные входные каналы, служит для измерения токов и напряжений по трем фазам и нулевой последовательности. Модуль аналоговых входов (1061) осуществляет преобразование и оцифровку входных величин. Полученные показатели напряжения подаются на АЦП (104), где происходит преобразование и выдача цифровых пакетов, одновременно со всех каналов, в ядро устройства по интерфейсу SPI.
Модуль дискретных входов (1062) представляет гальванически развязанные входные дискретные каналы, управляемые напряжением внешнего источника и предназначенные для приема команд от внешних устройств. Модуль (1062) состоит из входного фильтра-ограничителя, формирователя входного сопротивления, порогового органа с гистерезисом, формирователя импульса режекции и гальванической развязки, через которую сигналы передаются в процессорный модуль (101).
Модуль дискретных выходов (1064) осуществляет выдачу сигналов управления и сигнализации по гальванически развязанным контактным выходам.
Основные параметры модуля дискретных входов:
1) количество выходных реле — 10;
2) длительно допустимый ток через контакты 5 А;
3) коммутационная способность контактов выходных реле, действующих на внешние цепи постоянного тока с индуктивной нагрузкой и постоянной времени, не превышающей 0,05 с, 0,5/0,25/0,22А при напряжении соответственно 110/220/250В;
4) выходы устройства обеспечивают коммутацию цепей с активной нагрузкой (цепи сигнализации) при токе не более 0,15 А и напряжении постоянного тока 220 В;
5) коммутационная способность контактов выходных реле, действующих на внешние цепи переменного тока, 8 А при напряжении 250 В;
6) коммутационная износостойкость контактов, действующих на внешние цепи постоянного тока  – не менее 12500 циклов при постоянной времени 0,005 с.
Модуль дискретных входов/выходов (1063) выполняется по аналогии с модулями дискретных входов и выходов, совмещая их функции. Данный модуль (1063) используется для расширения возможностей устройства в зависимости от схемы подстанции, к которой подключено МУРЗ (100). Такими функциями являются получение/передача дополнительных дискретных сигналов с другими устройствами подстанции (сигналы разрешения, блокировки, сигнализации).
Интерфейсы связи (105) могут содержать разъемы типа USB/RS485/Ethernet, которые используются для подключения лицевой панели (108) и внешних вычислительных устройств (109), таких как персональный компьютер, ноутбук или иной тип вычислительного устройства.
Лицевая панель подключается к устройству посредством USB кабеля и может устанавливаться удаленно от основного корпуса устройства (100) и обеспечивать удаленное управление работой устройства (100). Лицевая панель (108) выполнена автономным модулем на собственном микроконтроллере (1081). На лицевой панели располагаются микроконтроллер (1081) клавиатура (1085), дисплей (1083), светодиодная индикация (1084) и USB разъем (1085) для конфигурирования устройства с помощью вычислительного устройства (109) и копирования сохраненных данных в память устройства (103).
Микроконтроллер (1081) управляет светодиодами (1084) лицевой панели, осуществляет вывод информации на дисплей (1083), получение команд ввода с клавиатуры (1085), обмен данными с процессорным модулем (101) посредством интерфейса связи (1082), в частности USB интерфейса.
Лицевая панель (108) может устанавливаться отдельно от основного корпуса устройства (100), при этом лицевая панель (108) подключается к модулю центрального процессора (101) с помощью USB кабеля. Устройство (100) может работать без лицевой панели (108), в этом случае конфигурирование устройства (100) осуществляется с помощью вычислительного устройства (109) через  USB разъем (1082).
Устройство (100) содержит блок питания (107), который обеспечивает работу устройства (100) при отключении оперативного питания. Номинальное напряжение оперативного питания: постоянного тока — 24/110/220 В; переменного тока — 100/220 В. Рабочий диапазон напряжения оперативного питания от 80% до 120%. Время готовности устройства к работе после подачи оперативного питания - не более 0,25 с. Устройство (100) не повреждается или ложно срабатывает при включении/отключении источника питания, после перерывов питания любой длительности с последующим восстановлением, при подаче напряжения оперативного постоянного тока обратной полярности, а также при замыканиях на землю в сети оперативного постоянного (выпрямленного переменного) тока. Устройство (100) сохраняет работоспособность при прерывании напряжения питания в режиме срабатывания не менее 2 с. Хранение и передача данных обеспечиваются продолжительное время без оперативного питания.