УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ПРИСОЕДИНЕНИЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ПРИСОЕДИНЕНИЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
CONTROL AND PROTECTION DEVICE OF ALTERNATING CURRENT CONNECTIONS OF SYSTEM OF TRACTION ELECTRIC POWER SUPPLY, AND CONTROL SYSTEM OF TRACTION SUBSTATION BY USING CONTROL AND PROTECTION DEVICES OF ALTERNATING CURRENT CONNECTIONS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам управления и релейной защиты оборудования системы тягового электроснабжения железных дорог переменного тока напряжением 27,5 кВ.
Устройство и система управления и защиты на его основе предназначены для выполнения функций местного и дистанционного управления, защиты и автоматики, контроля и сигнализации всех типов присоединений контактной сети переменного тока напряжением 27,5 кВ (фидера контактной сети, запасного выключателя, ввода 27,5 кВ, устройства поперечной компенсации, фидера системы «два провода - рельс», трансформатора собственных нужд, фидера плавки гололеда, устройства фильтрации и компенсации реактивной мощности, фидера тяговой сети системы электроснабжения «2×25 кВ», автотрансформаторного пункта).
Известен контроллер диагностики и защиты, содержащий электронный блок, включающий блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, генератор тактовой частоты, делитель частоты, интерфейс, исполнительное реле, кнопку «Деблокировка», индикатор, причем электронный блок дополнительно снабжен блоком энергонезависимой памяти и энергонезависимыми часами (патент РФ №2256993, МПК Н02Н 7/26, опубл. 20.07.2005).
Известно микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики с дистанционным управлением, содержащее блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорную систему управления выходным реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты и приемопередатчик с антенной для выполнения функций релейной защиты, автоматики, измерения, осциллографирования, регистрации, управления и контроля присоединений (патент РФ №2222083, МПК Н02Н 7/26, опубл. 20.01.2004).
Недостатком приведенных технических решений является необходимость применения двойного комплекта аппаратуры для резервирования защиты присоединений системы электроснабжения ответственных потребителей, в частности электроподвижного состава железных дорог, а также невозможность определения с достаточной точностью места повреждения контактной сети (КС) для двухпутных участков.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков и достигаемому результату является устройство цифровой защиты линии, содержащее блок защиты от повышения напряжения, устройство контроля синхронизма, блок дистанционной защиты, блок определения места повреждения, блок защиты от замыкания на землю, устройство для записи аварийных режимов, блок обработки измеренных значений, блок дополнения к телезащите, блок формирования сигналов автоматического повторного включения (АПВ), преобразователь напряжения питания, последовательные интерфейсы для связи с персональным компьютером и центром управления сети, причем вход устройства контроля синхронизма соединен с выходом датчика напряжения на шине питания, вход блока защиты от повышения напряжения и первый вход блока дистанционной защиты соединены с выходом датчика напряжения питающего фидера, второй вход блока дистанционной защиты соединен с выходом датчика тока питающего фидера, а формируемые устройством цифровой защиты линии сигналы «Включение» и «Отключение» воздействуют на выключатель напряжения питающего фидера, при этом резервирование защиты питающего фидера осуществляется с помощью второго комплекта устройства цифровой защиты линии (Г.Циглер. Цифровая дистанционная защита: принципы и применение. - М.: Эгергоиздат, 2005, с.174-175, рис.4.6).
Недостатком данного технического решения, как и в приведенных выше аналогах, является необходимость применения двойного комплекта аппаратуры для резервирования защиты присоединения и невозможность определения с достаточной точностью места повреждения для двухпутных участков КС.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - расширение функциональных возможностей устройства управления и защиты, повышение надежности работы присоединений за счет резервирования функции защиты смежного присоединения (фидера другого пути) при незначительном увеличении аппаратных технических средств, обеспечение возможности определения с достаточной точностью места повреждения для двухпутных участков КС с учетом электромагнитной связи контактных проводов двух смежных путей. Известно, что из-за этой электромагнитной связи проводов параметры, используемые при определении места повреждения, в зависимости от положения выключателя смежного пути могут отличаться более чем на 40% (по данным, приведенным в документе «Руководящие указания по релейной защите систем тягового электроснабжения», Департамент электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги», 2005 г., стр.133, табл.4.3, погонное сопротивление однопутного участка для одного из видов контактной подвески составляет 0,515 Ом/км, для двухпутного участка, на котором КС одного пути отключена - 0,470 Ом/км, а для двухпутного участка при параллельном соединении смежных путей - 0,301 Ом/км).
Для решения поставленной задачи в устройство управления и защиты присоединений переменного тока системы тягового электроснабжения, содержащее для каждого присоединения блок защиты от повышения напряжения, устройство контроля синхронизма, блок дистанционной защиты, блок определения места повреждения, блок защиты от замыкания на землю, устройство для записи аварийных режимов, блок обработки измеренных значений, при этом вход устройства контроля синхронизма соединен с выходом датчика напряжения на шине питания, вход блока защиты от повышения напряжения и первый вход блока дистанционной защиты соединены с выходом датчика напряжения на шине питания, второй вход блока защиты от повышения напряжения соединен с выходом устройства контроля синхронизма, второй вход блока дистанционной защиты соединен с выходом датчика тока питающего фидера, выход блока определения места повреждения соединен со входом блока защиты от замыкания на землю, сигнал с выхода которого подан на устройство для записи аварийных режимов, выход которого соединен со входом блока обработки измеренных значений, введен второй блок дистанционной защиты, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения на шине питания, второй вход соединен с выходом дополнительного датчика тока смежного питающего фидера, а его выход соединен с дополнительным входом блока определения места повреждения. При этом формируемые устройством управления и защиты присоединений переменного тока системы тягового электроснабжения сигналы «Включение» и «Отключение» воздействуют на выключатель напряжения каждого питающего фидера. Для резервирования защиты смежного питающего фидера и определения места повреждения двухпутного участка КС используется второй блок дистанционной защиты и вычислительные ресурсы блока определения места повреждения, блока защиты от замыкания на землю, устройства для записи аварийных режимов, блока обработки измеренных значений, которые являются общими для смежных питающих фидеров.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведена функциональная схема устройства управления и защиты присоединения для двух смежных фидеров КС, обеспечивающая резервирование защит и определение места повреждения КС для однопутных и двухпутных участков;
на фиг.2 - пример практической реализации предлагаемого устройства управления и защиты присоединения.
На фиг.1 обозначены:
1
2
1 - устройство управления и защиты присоединения; 2 - блок защиты от повышения напряжения; 3 - устройство контроля синхронизма; 4, 4 - блоки дистанционной защиты; 5 - блок определения места повреждения; 6 - блок защиты от замыкания на землю; 7 - устройство для записи аварийных режимов; 8 - блок обработки измеренных значений; 9 - блок формирования сигналов АПВ;
10 - преобразователь напряжения питания;
11 - датчик напряжения на шине питания;
1
2
12, 12 - датчики тока;
13 - выключатель напряжения питающего фидера;
14 - разъединитель.
Преобразователь напряжения питания 10 может быть реализован на основе преобразовательного трансформатора, микросхем TL431AILP, КР142ЕН8 В, КР1162ЕН15А, стабилитронов КС551А, КС522А, Д815Б.
1
2
Датчик напряжения на шине питания 11, датчики тока 12, 12, выключатель напряжения питающего фидера 13, разъединитель 14 могут быть реализованы на типовых устройствах, используемых в системе электроснабжения железнодорожного транспорта (Почаевец B.C. Электрические подстанции. - М.: Желдориздат, 2001, с.88, 103, 172-208, 212, 213).
На фиг.2 обозначены:
15 - модуль преобразования сигналов датчиков напряжения и тока, может быть реализован на измерительных трансформаторах и микросхемах КР140УД17, AD817AN;
16 - микроконтроллер защит присоединения, может быть реализован на микросхемах AD7660AST, ADSP-21061LAS-176, ATmegal28L-8AI, EPM7032AETI44-7;
17 - устройство ввода дискретных сигналов, может быть реализовано на микросхемах HIIL1;
18 - устройство вывода дискретных сигналов, может быть реализовано на реле RELPOL и транзисторах 2SA1625, КТ854А;
19 - микроконтроллер автоматики, может быть реализован на микросхемах ATmegal28-16AI, DS1306N, МАХ3100СЕЕ;
20 - микроконтроллер пульта управления, может быть реализован на микросхемах P80CE558EFB, M27C256B-12F6, UM62256E-70LL, ADM695AN;
21 - устройство индикации, может быть реализовано на знакосинтезирующем жидкокристаллическом модуле WM-C2004R.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Устройство управления и защиты присоединения 1 (фиг.1) состоит из блока защиты от повышения напряжения 2, устройства контроля синхронизма 3, двух блоков дистанционной защиты 4 и 4, блока определения места повреждения 5, блока защиты от замыкания на землю 6, устройства для записи аварийных режимов 7, блока обработки измеренных значений 8, блока формирования сигналов АПВ 9, преобразователя напряжения питания 10, причем входы устройства контроля синхронизма 3, первый вход блока защиты от повышения напряжения 2, первые входы блоков дистанционной защиты 4 и 4 соединены с выходом датчика напряжения 11 на шине питания, второй вход блока защиты от повышения напряжения 2 соединен с выходом устройства контроля синхронизма 3, вторые входы блоков дистанционной защиты 4 и 4 соединены с выходами датчиков тока 12 и 12 основного (фидер 1) и смежного (фидер 2) фидеров, выходы блоков дистанционной защиты 4 и 4 соединены со входами блока определения места повреждения 5, выход которого соединен со входом блока защиты от замыкания на землю 6, выход которого соединен со входом устройства для записи аварийных режимов 7, выход которого в свою очередь соединен со входом блока обработки измеренных значений 8.
1
2
1
2
1
2
1
2
Устройство управления и защиты присоединения (фиг.2) состоит из модуля преобразования сигналов датчиков напряжения и тока 15, микроконтроллеров защиты присоединения для основного (16) и смежного (16) фидеров, устройства ввода 17, устройства вывода 18, микроконтроллера автоматики 19, микроконтроллера пульта управления 20, устройства индикации 21, преобразователя напряжения питания 10, причем входы модуля преобразования сигналов датчиков напряжения и тока 15 соединены с выходом датчика напряжения 11 на шине питания и выходами датчиков тока 12 и 12 основного (фидер 1) и смежного (фидер 2) фидеров, микроконтроллеры защиты присоединения для основного (16) и смежного (16) фидеров, устройство ввода 17, устройство вывода 18, микроконтроллер автоматики 19 соединены между собой по системной шине, микроконтроллер автоматики 19 соединен по последовательному интерфейсу с микроконтроллером пульта управления 20, входы и выходы которого соединены с входами и выходами устройства индикации 21. Выходы преобразователя напряжения питания 10 соединены с входами питания микроконтроллеров защиты присоединения для основного (16) и смежного (16) фидеров, устройства ввода 17, устройства вывода 18, микроконтроллера автоматики 19, микроконтроллера пульта управления 20 и устройства индикации 21.
Устройство управления и защиты присоединения (фиг.1) работает следующим образом.
1
2
1
2
Сигналы от первичных датчиков напряжения на шине питания 11 и тока 12 и 12 основного (фидера 1) и смежного фидера 2 поступают на вход устройства контроля синхронизма 3, вход блока защиты от повышения напряжения 2, а также входы блоков дистанционной защиты 4 и 4, где в соответствии с алгоритмами защиты производится их анализ и выработка сигналов защиты для каждого присоединения. Полученные значения тока смежного фидера используются в блоке определения места повреждения 5, где реализованы алгоритмы определения места повреждения для двухпутных участков КС с учетом влияния электромагнитной связи проводов контактной подвески соседнего пути. В блоке защиты от замыкания на землю 6, устройстве для записи аварийных режимов 7, блоке обработки измеренных значений 8 производится обработка, преобразование и хранение измерительной, контрольной и управляющей информации как по основному фидеру 1, так и по смежному фидеру 2. На основе полученной информации в каждом из двух блоков 1 формируются сигналы управления («Вкл.», «Откл.») для выключателей 13 основного и смежного фидеров, обеспечивая тем самым резервирование защиты каждого присоединения. Функции автоматики для присоединения реализуются с помощью блока формирования сигналов АПВ 9.
1
2
1
2
1
2
1
2
пит
В устройстве управления и защиты присоединения (фиг.2) электрические сигналы датчика напряжения на шине питания 11 и датчиков тока основного (12) и смежного (12) фидеров поступают на входы модуля преобразования сигналов датчиков напряжения и тока 15, который обеспечивает их гальваническую развязку и предварительное масштабирование. С выходов модуля преобразования сигналов датчиков напряжения и тока 15 предварительно обработанная измерительная информация поступает на входы микроконтроллеров защит присоединения для основного (16) и смежного (16) фидеров, которые представляют собой модули аналого-цифрового преобразования и обработки сигналов. В них происходит преобразование в цифровой эквивалент и обработка аналоговых сигналов от датчиков напряжения и тока, а также их осциллографирование и запоминание. В микроконтроллерах защит 16, 16 реализуются функции контроля синхронизма, защиты от повышения напряжения, определения места повреждения. С выходов микроконтроллеров защит присоединений 16, 16 цифровые эквиваленты электрических параметров по системной шине передаются в микроконтроллер автоматики 19. Микроконтроллер автоматики 19 по системной шине получает также информацию о состоянии дискретных входов из устройства ввода 17. На основании этой информации, а также значений программных уставок, хранящихся в энергонезависимом перепрограммируемом запоминающем устройстве микроконтроллера автоматики 19, вырабатываются команды управления выходными реле в соответствии с алгоритмами защит, автоматики и управления коммутационными аппаратами присоединений (команды «Вкл.» и «Откл.» (фиг.1) для выключателей основного и смежного фидеров), которые по системной шине передаются в устройство вывода 18. В микроконтроллере автоматики 19 реализуются функции защиты от замыкания на землю, дистанционной защиты, записи аварийных режимов, обработки измеренных значений, формирования сигналов АПВ. Микроконтроллер автоматики 19 имеет последовательные интерфейсы для связи с микроконтроллером пульта управления 20 и внешней автоматизированной системой управления (RS-485). Микроконтроллер пульта управления 20 и устройство индикации 21 обеспечивают управление устройством управления и защиты присоединения 1 в режиме местного управления. Микроконтроллер пульта управления 20 имеет последовательный интерфейс для связи с внешней ПЭВМ (RS-232). Преобразователь напряжения питания 10 преобразует первичное напряжение питания U (постоянное, переменное или выпрямленное) во вторичные напряжения постоянного тока (минус 15 В; +5 В и +15 В), необходимые для работы всех составных частей устройства управления и защиты присоединения 1.
В соответствии со вторым пунктом настоящей заявки предложена система управления тяговой подстанцией с использованием заявленного в пункте 1 устройства управления и защиты присоединений переменного тока, содержащая шкаф управления подстанцией, узел связи, устройство индикации и сигнализации, устройства телеизмерений, шкаф управления подстанцией включает операторскую станцию, в частности промышленный компьютер, имеющую двухстороннюю связь с устройствами телеизмерений и с сенсорным монитором, выдающим и принимающим сигналы дистанционного управления подстанцией, при этом шкаф управления подстанцией содержит контроллер подстанции, в частности микроРС, соединенный с узлом связи, сопряженным с линией передачи сигналов телеуправления и тетесигнализации, операторская станция, сенсорный монитор и контроллер общеподстанционной сигнализации обеспечивают сбор измерительной информации с устройств телеизмерений, сбор статусной информации с оборудования подстанции, обработку и представление статусной информации с помощью устройства индикации и сигнализации, характеризующееся тем, что для защиты присоединений используются устройства управления и зашиты присоединений по пункту 1, причем устройства телеизмерений и устройства управления и защиты присоединений подключаются к шкафу управления подстанцией по последовательному интерфейсу RSM85.
Структурная схема системы управления приведена на фиг.3. На фиг.3 обозначены: 22 - шкаф управления подстанцией; 23 - операторская станция (промышленный компьютер); 24 - контроллер подстанции (микроРС); 25 - контроллер общеподстанционной сигнализации; 26 - сенсорный монитор; 27 - узел связи; 28 - устройство индикации и сигнализации; 29 - устройство телеизмерений.
В системе управления тяговой подстанции устройства телеизмерений 29 объединены по последовательному интерфейсу RS485 и подключаются к операторской станции, устройства управления и защиты присоединений переменного тока 1 объединены по последовательному интерфейсу RS485 и подключаются к контроллеру подстанции (микроРС) 24. При питании от тяговой подстанции двухпутньгх участков КС предложенная структура системы управления дает значительную экономию (практически двукратную) при резервировании защит смежных фидеров КС, а также обеспечивает возможность определения с достаточной точностью места повреждения КС с учетом влияния электромагнитной связи проводов контактной подвески соседнего пути. Операторская станция 23, сенсорный монитор 26 и контроллер общеподстанционной сигнализации 25 обеспечивают сбор измерительной информации с устройств телеизмерений 29, сбор статусной информации с оборудования подстанции, обработку и представление статусной информации с помощью устройства индикации и сигнализации 28, а также дистанционное управление подстанцией. Узел связи 27 обеспечивает сопряжение контроллера подстанции 24 с линией передачи сигналов телеуправления и телесигнализации по каналам тональной частоты, интерфейс Ethernet, выход на который реализован через контроллер подстанции 24, позволяет подключить систему управления волоконно-оптическому каналу системы передачи данных общетехнологического назначения, что обеспечивает телемеханическое управление подстанцией и связь с управляющим оборудованием более высокого уровня.