Устройство контроля электромеханических панелей релейной защиты и автоматики

Область техники
Полезная модель относится к области релейной защиты и автоматики (РЗА) и может найти применение на электрических станциях и подстанциях (ПС), эксплуатирующих аппаратуру РЗА, выполненную на электромеханических реле, установленных на панелях из изоляционного материала (электромеханические панели).
Уровень техники
Среди устройств РЗА, находящихся в эксплуатации на объектах электроэнергетики, высокую долю составляют устройства, выполненные на электромеханических реле. Массовая замена таких устройств современными микропроцессорными устройствами связана с большими материальными затратами и не планируется в ближайшей перспективе. Это делает актуальной задачу эффективного мониторинга работы электромеханических панелей с использованием современных средств микропроцессорной техники (программируемых микроконтроллеров).
Известны шкафы центральной сигнализации, применяемые в настоящее время на действующих подстанциях для контроля электромеханических панелей РЗА (ПС 220 кВ «Тюрлема» филиал ПАО «ФСК ЕЭС» - МЭС Волги, ПС 110/35/10 кВ «Катраси» филиал ПАО "МРСК Волги" - «Чувашэнерго»). Шкафы центральной сигнализации связаны участковыми шинками аварийной сигнализации с выходами срабатывания электромеханических защит, смонтированных на панелях РЗА, и сигнализируют о панели, на которой сработала та или иная защита, не контролируя ее работу и не регистрируя сигналы, необходимые для анализа аварийных ситуаций и функционирования защиты.
Известны микропроцессорные устройства контроля и управления, которые регистрируют с метками времени сигналы РЗА на своих дискретных и аналоговых входах и передают результаты регистрации в автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) подстанции и/или на автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора для последующего анализа предаварийных и аварийных ситуаций [патенты RU 87840, RU 2195707. RU 115970, RU 115971, RU 154171].
Эти устройства содержат микропроцессорные блоки, запрограммированные с возможностью выполнения указанных функций, порты обмена данными с аппаратурой АСУ ТП и интерфейсы дискретных и аналоговых входов.
В качестве прототипа принято устройство контроля РЗА по патенту RU87840, содержащее микроконтроллер, который снабжен
последовательным портом обмена данными, интерфейсами с разъемами для дискретных и аналоговых входов и запрограммирован с возможностью регистрации сигналов на указанных входах и выдачи результатов регистрации через последовательный порт обмена данными.
Аналоговые и дискретные входы устройства-прототипа сопрягаются через интерфейсные разъемы с соответствующими выходными разъемами контролируемого устройства РЗА. Это не создает препятствий для полноценного анализа работы гибких (перепрограммируемых) устройств РЗА, построенных на микропроцессорной основе, в которых объем и содержание информации, выдаваемой через интерфейсы вывода могут варьироваться программно в соответствии с задачами контроля.
Недостаток прототипа проявляется при его использовании для контроля таких устройств РЗА, которые построены на жесткой (неперепрограмируемой) аппаратной основе, т.е. на электромеханических реле. Прототип и другие известные микропроцессорные устройства контроля РЗА способны контролировать только выходные сигналы электромеханической панели, которые не несут достаточной информации для анализа аварийных и предаварийных ситуаций, оценки текущего состояния, параметров и функционирования аппаратуры РЗА, установленной на панели.
Это ограничивает функциональность и информативность контроля электромеханических панелей РЗА, вследствие чего отсутствует возможность:
- определять тип и ступень защиты, которая сработала и вернулась в исходное состояние;
- локализовать отказавший узел РЗА;
- проводить анализ ситуации по осциллограммам токов и напряжений предаварийного, аварийного и послеаварийного режимов, совмещенным по времени с внутренними сигналами панелей РЗА, отражающими срабатывание ступеней релейных защит, появление и характер неисправностей.
Технический результат заявляемой полезной модели - повышение функциональности и информативности контроля, сокращение времени обнаружения и устранения неисправностей, возникающих при эксплуатации электромеханических панелей РЗА, продление срока их службы.
Раскрытие сущности полезной модели
Предметом полезной модели является устройство контроля электромеханической панели релейной защиты и автоматики, содержащее микроконтроллер, который снабжен последовательным портом обмена данными, интерфейсами с разъемами для дискретных и аналоговых входов и запрограммирован с возможностью регистрации сигналов на указанных входах и выдачи результатов регистрации через последовательный порт обмена данными, отличающееся тем, что введен модуль сопряжения микроконтроллера с контролируемой панелью, содержащий закрепленные на конструктиве микроконтроллера кабельные части интерфейсных разъемов, к контактам которых гибкими проводами подключены ответвительные зажимы и снабженные разъемным сердечником трансформаторы тока, предназначенные для съема с монтажных проводов контролируемой панели сигналов напряжения и тока соответственно, а микроконтроллер запрограммирован с возможностью функциональной идентификации снимаемых сигналов при их регистрации.
Это позволяет получить указанный технический результат.
Полезная модель имеет развития, которые состоят в том что:
- съем сигналов напряжения на аналоговые входы выполнен через плавкие предохранители;
- съем сигналов напряжения на дискретные входы выполнен через резисторные делители с ограничением напряжения.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитей На фигуре представлена схема устройства для контроля электромеханической панели, обозначенной пунктиром.
1 - заявляемое устройство;
2 - микроконтроллер;
3 - микропроцессорный блок;
4 - последовательный порт обмена данными;
5 - интерфейс дискретных входов 6;
7 - интерфейс аналоговых входов 8;
9 - контролируемая панель;
10 - модуль сопряжения с контролируемой панелью 9;
11 - кабельные части интерфейсных разъемов;
12 - ответвительные зажимы для съема сигналов напряжения с монтажных проводов 13 панели 9;
14 - трансформаторы тока, снабженные разъемным сердечником, для съема сигналов тока с монтажных проводов 13;
15 - гибкие провода, подключающие зажимы 12 и трансформаторы 14 к кабельным частям 11 разъемов;
Зажимы 12 подключены к точкам съема сигналов напряжения, выбранным на панели 9. Трансформаторы 14, охватывают монтажный провод 13 в точках, выбранных для съема сигналов тока.
В качестве зажимов 12 могут быть использованы, например, зажимы-ответвители типа ЗОВ 2 фирмы «MEYERTEC» или типа ЗПО-2 фирмы «1ЕК», а в качестве трансформаторов 14 трансформаторы тока типа ТТ фирмы «LEM» или типа ССТ фирмы «TDK»,
Блок 3, составляющий основу микроконтроллера 2, представляет собой микропроцессор с энергонезависимой памятью программ, в которой запрограммированы функции микроконтроллера 2, и памятью данных. Блок 3 и соответственно контроллер 2 запрограммирован с возможностью регистрации сигналов на интерфейсных входах 6, 8 с выдачей результатов регистрации через порт 4, а также с возможностью функциональной идентификации снимаемых сигналов при их регистрации.
Узлы 3, 4, 5 и 7 микроконтроллера 2, связанные шиной 16, вместе с другими его элементами, не показанными на фигуре (блок питания, интерфейс конфигурации, блок индикации) размещены на общем конструктиве микроконтроллера - печатной плате или несущей раме.
В состав модуля 10 входят кабельные части 11 разъемов, закрепленные на конструктиве микроконтроллера 2, к контактам которых гибкими проводами 15 подключены зажимы 12 и трансформаторы 14. В провода 15, через которые снимаются напряжения на аналоговые входы 8, могут быть встроены предохранители 17, а в провода для съема сигналов напряжения на дискретные входы 6 - резисторные делители 18 с ограничением напряжения.
Контролируемая панель 9 и ее монтажные провода 13, обозначенные на фигуре пунктиром, не входят в устройство 1.
Конструктив микроконтроллера 2 располагают на панели 9 или вблизи нее. Модуль 10 сопряжения подключается к интерфейсам 5 и 7 и крепится на конструктиве микроконтроллера 2 кабельными частями 11 разъемов.
В соответствии со схемами (функциональной, принципиальной, монтажной) панели 9 и алгоритмом контроля, предварительно разработанным и запрограммированном в блоке 3, выбираются контрольные точки съема сигналов на панели 9.
Съем сигналов напряжения или тока с изолированных проводов 13 панели 9 осуществляется без нарушения ее монтажа.
Для съема сигнала напряжения (дискретного на вход 6 или аналогового на вход 8) соответствующим зажимом 12 прокалывают изоляцию монтажного провода 13 в выбранной контрольной точке. При этом конструкция зажима 12 обеспечивает надежное электрическое соединение проводов 13 и 15. Для съема сигнала тока на аналоговый вход 8 разъемным сердечником соответствующего трансформатора 14 охватывают провод 13 в выбранной контрольной точке.
С целью подавления наводимых помех для съема сигналов используют, как правило, витые пары проводов 15, показанные на фигуре однолинейно.
Устройство работает следующим образом.
Снимаемые с панели 9 дискретные и аналоговые сигналы поступают на входы 6 и 8 и преобразуются интерфейсами 5 и 7 в вид, пригодный для цифровой обработки в блоке 3. (Для этого интерфейс 5 входов 6 снабжен компараторами, а интерфейс 7 входов 8 - аналого-цифровыми преобразователями). Данные, полученные с интерфейсов 5 и 7, поступают в блок 3, который регистрирует их, сохраняя в энергонезависимой памяти вместе с соответствующими метками времени и атрибутами, идентифицирующими регистрируемый сигнал на функциональном уровне. Из результатов регистрации блок 3 формирует файлы данных, которые по запросу или периодически передает через порт 4 (выполненный, например, как порт Ethernet) в АСУ ТП на сервер сбора данных и/или непосредственно на АРМ оператора. Внутренние часы микроконтроллера 2 программно или с аппаратной поддержкой, реализованные в блоке 3 для получения меток времени, периодически подстраиваются через порт 4, например, по протоколу SNTP (упрощенному протоколу синхронизации времени NTP).
Введение модуля 10, сопрягающего микроконтроллер 2 с панелью 9 и содержащего закрепленные на конструктиве микроконтроллера 2 кабельные части 11 интерфейсных разъемов, к контактам которых гибкими проводами 15 подключены ответвительные зажимы 12 и снабженные разъемным сердечником трансформаторы тока 14, а также дополнительное программирование микроконтроллера 2, обеспечивающее функциональную идентификацию снимаемых сигналов при их регистрации, позволяют получить указанный выше технический результат.
Обеспечиваемые заявляемой полезной моделью возможности съема внутренних сигналов электромеханических панелей РЗА без нарушения их проводного монтажа, последующей цифровой обработки, идентификации и регистрации этих сигналов позволяют контролировать и анализировать совместно наиболее информативные сигналы, характеризующие функционирование схемы РЗА. Повышение функциональности и информативности контроля и, как следствие, сокращение времени обнаружения и устранения неисправностей электромеханических панелей РЗА делают допустимым продление срока их эксплуатации без снижения надежности электроснабжения.
Примеры применения
Ниже, в качестве примеров, для двух типов электромеханических панелей приведены перечни внутренних сигналов, которые с использованием заявляемой полезной модели снимаются с контролируемой панели, идентифицируются, регистрируются и передаются в АСУ ТП.
Панель типа ЭП3-1636, реализующая функции трехступенчатой дифференциальной защиты (ДЗ) и токовой направленной защиты нулевой последовательности (ТНЗНП) и устройства резервирования отказа выключателя (УРОВ)
Дискретные сигналы, снимаемые с панели на входы 6:
1) сигнал пуска и срабатывания I ступени ДЗ;
2) сигнал пуска II ступени ДЗ;
3) сигнал пуска III ступени ДЗ;
4) сигнал готовности автоматического ускорения II ступени ДЗ;
5) сигнал пуска II ступени ТНЗНП;
6) сигнал пуска III ступени ТНЗНП;
7) сигнал пуска IV ступени ТНЗНП;
8) сигнал срабатывания блокировки при качаниях на пуск I, II ступеней ДЗ;
9) сигнал срабатывания блокировки при качаниях на пуск III ступени ДЗ;
10) сигнал пуска выходных реле I комплекса защит;
11) сигнал пуска выходных реле II комплекса защит;
12) сигнал неисправности цепей напряжения;
13) сигнал неисправности блока питания комплекта ДЗ;
14) сигнал неисправности блока питания комплекта ТНЗНП;
15) сигнал срабатывания измерительного органа реле I, II ступеней ДЗ;
16) сигнал срабатывания измерительного органа реле III ступени ДЗ;
17) сигнал срабатывания реле тока УРОВ.
Аналоговые сигналы, снимаемые с панели на входы 8:
Сигналы напряжения:
1) сигнал напряжения фазы А;
2) сигнал напряжения фазы В;
3) сигнал напряжения фазы С;
4) сигнал напряжения нулевой последовательности.
Сигналы тока:
1) сигнал тока фазы А;
2) сигнал тока фазы В;
3) сигнал тока фазы С;
4) сигнал тока нейтрали.
Панель типа ДФ3-201, реализующая функции дифференциально-фазной защиты
Дискретные сигналы, снимаемые с панели на входы 6:
1) сигнал пуска приемопередатчика;
2) сигнал срабатывания пускового органа на отключение;
3) сигнал срабатывания органа сравнения фаз на отключение;
4) сигнал срабатывания выходного реле защит II комплекта защит;
5) сигнал неисправности приемопередатчика;
6) сигнал неисправности блоков питания I, II комплектов защит;
7) сигнал неисправности цепей напряжения в составе II комплекта защит.
Аналоговые сигналы напряжения, снимаемые на входы 8:
1) сигнал приемника;
2) сигнал передатчика.