МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ С ЗАЩИТОЙ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты.
Известная микропроцессорная система защиты [Н.Н.Чернобровов, В.А.Семенов "Релейная защита энергетических систем" 1998 г. стр.776, рис.22.1], содержащая блоки промежуточных трансформаторов, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему выполняет функции релейной защиты, но имеет большие габариты, ограниченные функциональные возможности и не защищена от несанкционированного доступа к программному обеспечению.
Известная система - "Микропроцессорная система защиты" [Патент RU №2173924 Н02Н 7/26 Б.И. №26 от 20.09.2001], содержащая блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, выполняет функции релейной защиты, но имеет ограниченные функциональные возможности, большие габариты и не защищена от несанкционированного доступа к программному обеспечению.
Наиболее близким техническим решением является микропроцессорная система защиты - "Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики с дистанционным управлением" [Патент RU №2222083 7 Н02Н 7/26, G01R 23/165, 31/08 Б.И. №2 от 20.01.2004], содержащая блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты и приемо-передатчик.
Прототип также имеет большие габариты, ограниченные функциональные возможности и не защищен от несанкционированного доступа к программному обеспечению.
Технический результат - расширение функциональных возможностей микропроцессорной системы релейной защиты и автоматики, уменьшение габаритов устройства и введение защиты от несанкционированного доступа к программному обеспечению достигается за счет введения:
в устройство - формирователя аналоговых сигналов;
в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты - микроконтроллера, второго драйвера последовательного канала, узла идентификации и пульта управления, содержащего, клавиатуру и индикацию.
Поставленная цель достигается тем, что в известную микропроцессорную систему защиты, содержащую блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, причем микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, содержит оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, часы, регистр, устройство аналогового ввода-вывода, устройство дискретного ввода-вывода и драйвер последовательного канала причем вторая группа входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, является группой входов-выходов для связи с внешними устройствами, третья группа входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, является группой входов-выходов для связи с ПЭВМ, введен формирователь аналоговых сигналов, причем в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, введен микроконтроллер, пульт, содержащий клавиатуру и индикацию, узел идентификации, второй регистр и второй драйвер последовательного канала, группа входов-выходов которого является первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, группа входов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты соединена с группой выходов формирователя аналоговых сигналов, первая и вторая группа входов которого соединена с группами выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, соответственно.
На фиг.1 приведена структурная схема микропроцессорной системы релейной защиты и автоматики;
на фиг.2 - структурные схемы блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения. На схеме приведены примеры реализации одной из гальванических развязок и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения из общего количества гальванических развязок и предварительного масштабирования входных сигналов, определяемых количеством входных аналоговых сигналов тока и напряжения;
на фиг.3 - пример реализации формирователя аналоговых сигналов;
на фиг.4 - пример реализации схемы индикации пульта управления;
на фиг.5 - пример реализации микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты;
на фиг.6 - внешний вид прототипа и заявляемого устройства.
На фиг.1 обозначены:
1 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока;
2 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения;
3 - формирователь аналоговых сигналов;
4 - микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты;
5 - пульт управления;
1
5 - индикация;
2
5 - клавиатура ТУ 4236-001-74790443-2005 или аналогичная;
6 - узел идентификации DS2401P фирмы "Dallas Semiconductor" или аналогичный;
7 - группа токовых сигналов защищаемого объекта;
8 - группа сигналов напряжения защищаемого объекта;
9, 10 - группы выходных сигналов с блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения;
11 - группа выходов формирователя аналоговых сигналов;
12 - группа входов-выходов для связи с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ) - канал USB;
13 - группа входов-выходов для связи с АСУ-канал RS-485;
14 - 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:
15 - трансформаторы тока или напряжения типа ТТ, ТН или аналогичные;
16 - сборка диодная типа BAV99 фирмы "PHI" или аналогичная;
17 - операционный усилитель преобразования и масштабирования входных сигналов. В качестве операционного усилителя можно использовать микросхему типа MAX4126ESA фирмы "Maxim" или аналогичную;
R - резисторы типа RT0805BRD07 фирмы "Yageo" или аналогичные;
С - конденсаторы типа CC0805KRX9BN104 фирмы "Yageo" или аналогичные;
1
C - конденсатор типа T491B685M010AS фирмы "Kemet" или аналогичный;
1
V - напряжение 1,65 В;
2
V - напряжение 3,3 В.
На фиг.3 обозначены:
1.1
1.X
3…3 - узлы формирования аналоговых сигналов по току;
2.1
2.Y
3…3 - узлы формирования аналоговых сигналов по напряжению;
1
R - резисторы типа RC0805FR07 фирмы "Yageo" или аналогичные;
2
R - резисторы типа RC1206JR07 фирмы "Yageo" или аналогичные.
На фиг.4 обозначены:
18 - источник питания типа TLV1117-33IDCYR фирмы "Texas Ibstruments" или аналогичный;
19 - регистр последовательного обмена типа 74LVC595APW фирмы "NXP" или аналогичный;
1
L - диод светоизлучающий типа L-7104LID фирмы "Kingbright" или аналогичный;
3
V - напряжение 5 В.
На фиг.5 обозначены:
20 - микроконтроллер типа AT91SAM7X512-AU фирмы "Atmel" или аналогичный;
21, 22 - аналого-цифровой преобразователь, центральный процессор в составе микроконтроллера;
23 - драйвер для связи с ПЭВМ типа AD376BRM фирмы "Analog Devices" или аналогичный (канал USB);
24 - драйвер для связи с АСУ типа ADM2587EBRWZ фирмы "Analog Devices" или аналогичный (канал RS-485);
25 - устройство дискретного ввода-вывода (УДВВ);
26 - устройство аналогового ввода-вывода (УABB);
27 - ОЗУ типа FM25CL64-G фирмы "Ramtron" или аналогичное;
28 - ПЗУ типа AT45DB642D-TU фирмы "Atmel" или аналогичное;
29 - часы реального времени типа DS3231SN фирмы "Dallas;
30, 31 - регистры кнопок типа 74HC7540DB фирмы "NXP" или аналогичные;
32 - последовательный канал SPI;
33 - последовательный канал I2C.
На фиг.6 обозначены:
34 - прототип;
35 - заявляемое устройство.
Для упрощения схемы микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты на рисунке 5 не показаны: резонатор и цепи управления, цифровые изоляторы, мультиплексоры и т.д. (т.е. элементы не влияющие на описание работы устройства.
1
2
Микропроцессорная система релейной защиты и автоматики содержит блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2, формирователь аналоговых сигналов 3 и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 4. Микропроцессорная системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 4 содержит микроконтроллер 20, состоящий из аналого-цифрового преобразователя 21 и процессора 22, драйверы для связи с ПЭВМ 23 и с АСУ 24, устройство аналогового ввода-вывода 25, устройство дискретного ввода-вывода 26, оперативное запоминающее устройство 27, постоянное запоминающее устройство 28, часы 29, регистры 30 и 31, пульт управления 5 с индикацией 5 и клавиатурой 5, узел идентификации 6.
Группы выходов 9 и 10 блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2 соединены, соответственно, с первой и второй группой входов формирователя аналоговых сигналов 3, группа выходов 11 которого соединена с группой входов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 4, вторая группа входов-выходов 14 которой является группой входов-выходов для связи с внешними устройствами, третья группа входов-выходов 12 микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 4 является группой входов-выходов для связи с ПЭВМ, первая группа входов-выходов 13 микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 4 является группой входов-выходов для связи с АСУ.
1.1
1.X
2.1
2.Y
2
Микропроцессорная система релейной защиты работает следующим образом: сигналы от первичных трансформаторов тока 7 и напряжения 8 защищаемого объекта поступают на промежуточные трансформаторы 15 блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения 1 и 2. Промежуточные трансформаторы 15 обеспечивают гальваническую развязку и предварительное масштабирование входных сигналов. Первичные обмотки трансформаторов обеспечивают заданную термическую стойкость при перегрузках. Усилители, реализованные на микросхеме 17, диодных сборках 16, резисторах R служат для предварительного масштабирования сигналов промежуточных трансформаторов. С выходов усилителей 17 сигналы поступают на входы формирователя аналоговых сигналов 3, формирователи сигналов 3…3 и 3…3 у которого служат для точного масштабирования сигналов и согласования импедансов промежуточных трансформаторов и аналого-цифрового преобразователя 21 микроконтроллера 20. Конденсаторы С, в цепи обратной связи усилителей 17, являются фильтрами нижних частот - пропускают составляющие тока и напряжения определенной частоты и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами, искажающими синусоиду тока и напряжения. Далее аналоговые сигналы по каналу 11 поступают в аналого-цифровой преобразователь 21 микроконтроллера 20 для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую), т.к. последующая обработка сигналов производиться процессором 22. Работой аналого-цифрового преобразователя 21 управляет процессор 22 микроконтроллера 20, который обеспечивает цифровую фильтрацию входных сигналов, расчет вторичных электрических параметров сети, выполнение процедур самодиагностики, а также поддерживает обмен с пультом управления 5 и клавиатурой 5, через регистры 30 и 31, устройствами ввода-вывода 25 и 26, по каналу 33 (I2C).
Таким образом, микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 4 получает значения электрических параметров защищаемого объекта из аналого-цифрового преобразователя 21 и информацию о состоянии дискретных входов от УДВВ 25. На основании этой информации, а также значений программных ключей и уставок, хранящихся в ПЗУ 28, вырабатываются, в соответствии с алгоритмами защиты, команды управления выходными реле и сигнализацией, которые поступают через УАВВ 26 по каналу 14 на объекты управления и сигнализации. Более подробная информация о работе микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты приведена в [Н.Н.Чернобровов, В.А.Семенов "Релейная защита энергетических систем" 1998 г. стр.778-783].
Помимо выполнения функций защиты и автоматики процессор 22 микроконтроллера 20 обеспечивает обмен с персональной ЭВМ и АСУ по каналам 12 и 13, через драйверы 23 и 24, соответственно.
Микропроцессорная система релейной защиты и автоматики обеспечивает следующие эксплуатационные возможности:
- выполнение функций защит, автоматики и управления;
- местное и дистанционное задание внутренней конфигурации программным способом и ее хранение. Автоматическое или дистанционное переключение программ уставок и конфигурации;
- сигнализацию срабатывания защит и автоматики, положения коммутационных аппаратов, неисправности устройства;
- регистрацию и хранение осциллограмм, журнала аварийных и оперативных событий, накопительной информации о количестве и времени пусков и срабатывания защит и автоматики;
- задание пользователем параметров регистрируемых осциллограмм: условия пуска, объем регистрируемой информации и длительность записи аварии;
- контроль и индикацию положения выключателя, а также исправности его цепей управления, местное и дистанционное управление выключателем, переключение режима управления, диагностику выключателя;
- измерение текущих электрических параметров защищаемого объекта;
- контроль исправности измерительных трансформаторов напряжения;
- технический учет электроэнергии;
- определение места повреждения;
- функцию календаря и часов астрономического времени с синхронизацией хода часов по АСУ;
- непрерывный оперативный контроль работоспособности (самодиагностику) в течение всего времени работы;
- блокировку всех выходов при неисправности устройства для исключения ложных срабатываний;
- гальваническую развязку всех входов и выходов, для обеспечения высокой помехозащищенности;
- высокое сопротивление и прочность изоляции входов и выходов относительно корпуса и между собой для повышения устойчивости устройства к перенапряжениям, возникающим во вторичных цепях КРУ;
- защиту от ложных срабатываний дискретных входных цепей устройства при помехах и нарушениях изоляции в цепях оперативного тока КРУ;
- перепрограммирование пользователем базового функционального программного обеспечения.
Базовые функции защиты, выполняемые микропроцессорной системой релейной защиты и автоматики:
- трехступенчатая максимальная токовая защита от междуфазных повреждений с контролем тока в двух или трех фазах;
- направленная или ненаправленная защита от однофазных замыканий на землю с контролем тока нулевой последовательности, его высокочастотных составляющих и напряжения нулевой последовательности;
- защита от обрыва фазы и несимметрии нагрузки по току обратной последовательности;
- защита от несимметричного режима по напряжению обратной последовательности;
- защита минимального напряжения с контролем линейных напряжений и напряжения обратной последовательности;
- защита от превышения напряжения с контролем линейных напряжений и напряжения обратной последовательности;
- дифференциальная токовая отсечка.
Базовые функции автоматики, выполняемые микропроцессорной системой релейной защиты и автоматики:
- автоматическое включение резерва с автоматическим восстановлением схемы нормального режима;
- двукратное автоматическое повторное включение;
- резервирование при отказах выключателей с контролем тока;
- логическая защита шин;
- выполнение команд внешнего устройства частотной автоматики.
Функции сигнализации, выполняемые микропроцессорной системой релейной защиты и автоматики:
- срабатывание защит и автоматики;
- аварийная сигнализация;
- вызывная сигнализация;
- обобщенная сигнализация.
Функции измерения параметров сети, выполняемые микропроцессорной системой релейной защиты и автоматики:
- измерение действующих значений токов и напряжений;
0
- измерение действующих значений тока 3I;
0
0
A
C
BC
AB
- вычисление фазовых сдвигов между основными гармониками тока 3I и напряжения 3U, фазными токами I, I и линейными напряжениями U, U соответственно;
- вычисление токов и напряжений прямой и обратной последовательности;
0
0
- вычисление тока 3I и напряжения 3U по фазным токам и напряжениям;
- измерение частоты;
- вычисление коэффициента мощности cos φ;
- вычисление активной, реактивной и полной мощности;
- максиметр измеряемых величин.
Встроенный в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты пульт управления 5 содержит 24 светодиода (функция каждого из них может быть программно назначена пользователем с помощью соответствующего программного обеспечения), а также десять кнопок для навигации по меню, просмотра, ввода или сброса информации.
Узел идентификации 6 содержащий уникальный идентификационный номер (код). Узел идентификации защищает программное обеспечение устройства от несанкционированного доступа и изменения потребителем.
Таким образом, введение в микропроцессорную систему релейной защиты и автоматики формирователя аналоговых сигналов, а в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты микроконтроллера, второго регистра и второго драйвера, пульта и узла идентификации - расширяет функциональные возможности устройства и делает его абсолютно универсальным устройством, снимающим практически все проблемы при заказе, проектировании, модернизации КРУ на объекте и при определении состава ЗИП, а также обеспечивает защиту программного обеспечения устройства от несанкционированного доступа потребителем.
Исключение из микропроцессорной системы релейной защиты и автоматики, по сравнению с прототипом, аналого-цифрового преобразователя, блока частотных фильтров и приемо-передатчика привело к уменьшению габаритов устройства в 2 раза (см. рисунок 6).