МОДУЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СИГНАЛАМИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ АВТОМАТИКИ
RELAY PROTECTION AND EMERGENCY AUTOMATION SIGNALS MODULAR MONITORING AND CONTROL DEVICE

Заявляемое изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам релейной защиты и противоаварийной автоматики в электрических сетях, и может входить в состав шкафов УПАСК и/или РЗ и ПА для формирования их исполнительной схемы.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению является устройство контроля и управления сигналами релейной защиты и противоаварийной автоматики энергетических сетей, выполненное в виде единого блока с внешними подключениями, внутри которого размещены микропроцессорный модуль, модуль приема сигналов сигнализаций, модуль выхода сигналов сигнализаций и группу входов и выходов для их соединения с ПЭВМ и АСУ ТП, а также модуль внешних фильтров, подключенный через соответствующую кросс-плату для релейных модулей, по меньшей мере, к одному релейному модулю, модуль конденсаторных блоков, модуль питания, модуль внешней синхронизации часов, которые своими входами-выходами подключены к микропроцессорному модулю, при этом релейные модули снабжены механическими размыкателями с ручным управлением и электронной сигнализацией коммутационного положения размыкателя, которая выведена на лицевую панель устройства и подключена к АСУ ТП для контроля и отключения устройства от входных и выходных цепей, при этом все соединения устройства выполнены печатными проводниками. Кроме того, все подключаемые устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики имеют общую временную сетку с устройством для синхронизации времени наступления событий и прохождения сигналов в управляющих цепях для их регистрации. Микропроцессорный модуль использует программные команды фиксированного сдвига, функции удержания минимальной длительности, функции удержания минимального периода повторения сигналов, функции выдержки срабатывания (патент №2479904 на изобретение «Устройство контроля и управления сигналами релейной защиты и противоаварийной автоматики», дата подачи 08.02.1012 г., опубл. 20.04.2013 г.).
Известное устройство имеет ряд недостатков, в частности, оно громоздко, т.к. состоит из нескольких модулей, объединенных в едином корпусе и имеющих многочисленные проводные связи с выходными клеммами шкафа, что влияет на уровень помех, шумов, а также на повышение вероятности ошибок при монтаже. В конструкции используют механические размыкатели, которые также обладают рядом недостатков, а именно ограниченным сроком службы из-за физического износа контактов, минимальным размером допуска при монтаже, т.к. контакты в сборе должны плотно заходить друг в друга. При синхронизации времени в известном решении невозможен прием сигналов синхронизации непосредственно устройством, для чего введен промежуточный внешний модуль. При работе устройства сдвиг по времени выполняется сразу для всех входящих в состав конструкции модулей (устройств), что не позволяет изменять состояние выходных/входных цепей быстрее заданного времени в зависимости от их предыдущего изменения состояния. Хранение информации ограничено семью сутками, после чего информация автоматически удаляется. Сопряжение между модулями выполнено посредством дополнительного устройства - кросс-платы, что снижает надежность и увеличивает влияние помех. Релейный модуль обеспечивает только одностороннюю связь и выполнение полученных от модуля управления команд без обратной связи.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности изменения конфигурации исполнительной схемы, уставок, положений ключей управления шкафа УПАСК с помощью ввода или вывода команд управления как местным обслуживающим персоналом, так и через АРМ диспетчера.
Дополнительным результатом является упрощение конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что модульное устройство контроля и управления сигналами релейной защиты и противоаварийной автоматики, размещаемое в шкафу УПАСК и/или РЗ и ПА, содержит связанные между собой модуль управления и модуль исполнительных реле, при этом модуль управления включает модуль внешних фильтров, модуль конденсаторных блоков, центральный процессор, к которому подключены модуль приема сигналов УПАСК, модуль блока питания, модуль внешней сигнализации, а модуль исполнительных реле включает модуль выходных реле, модуль внешней сигнализации, модуль связи с ПК и модуль связи с АРМ диспетчера, согласно изобретению модуль управления и модуль исполнительных реле выполнены в виде связанных через проводной канал связи отдельных узлов с возможностью их размещения внутри шкафа УПАСК и/или РЗ и ПА вне зависимости друг от друга, причем каждый из модулей оснащен центральным процессором на плате управления, на которой расположены подключенные к процессору выходы модуля блока питания, модуль индикации, модуль внешней сигнализации и модуль шкафной сети, при этом модуль управления через УПАСК соединен с внешним переключателем, установленным с возможностью вывода всех выходных цепей из работы, и к его центральному процессору дополнительно присоединены связанные между собой модуль приема сигналов УПАСК, модуль разрешающих кнопок и ключей и выведенный на лицевую панель модуль ключей управления, а к центральному процессору модуля исполнительных реле дополнительно подключены связанный с УПАСК модуль блокировки, обеспечивающий дополнительную, не зависящую от основного алгоритма работы устройства защиту от срабатывания при поступлении ложных команд, в том числе от УПАСК, модуль связи с АСУТП энергообъекта, обеспечивающий одновременную синхронизацию по времени всех модулей, а также модуль связи с ПК через USB-порт, при этом модуль внешних фильтров и модуль конденсаторных блоков объединены между собой и установлены на входах каждого из модулей блока питания, а модуль исполнительных реле одновременно является выходным клеммным рядом шкафа УПАСК и/или РЗ и ПА.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где
на чертеже - общая блок-схема модульного устройства контроля и управления сигналами релейной защиты и противоаварийной автоматики.
Предлагаемое к защите техническое решение является буфером, размещаемым между устройствами УПАСК и/или РЗ и ПА, с одной стороны, и устройствами реализации воздействий РЗ и ПА, с другой, причем при приеме сигнала оно получает команды от УПАСК и/или устройств РЗ и ПА и подает их на исполнительные и другие устройства реализации воздействий РЗ и ПА. Тип устройств УПАСК и/или РЗ и ПА, а также входящих в них элементов значения не имеет, т.к. конструкция выполнена с возможностью сопряжения по интерфейсам, напряжениям, токам, временным характеристикам и алгоритмам работы с любыми из них, имеющими релейные выходы с сухими контактами.
Заявляемое устройство устанавливается в шкафах УПАСК и/или РЗ и ПА и выполнено в виде связанных между собой как минимум двух модульных узлов, а именно модуля управления (МУ) 1, подключаемого к дискретным выходам устройства передачи аварийных сигналов и команд УПАСК (на чертеже не показано), и модуля исполнительных реле с платой управления (МИР с ПУ) 2, присоединяемого к устройствам реализации воздействий РЗ и ПА - внешней сети (на чертеже не показано). Связь между модулями осуществлена через канал проводной связи 3 - локальную сеть в виде шины данных, к которой, в случае оперативного наращивания функционала, может быть одновременно присоединено несколько идентичных модулей управления 1 и модулей исполнительных реле 2, при этом конфигурация может быть любой. Изменение исполнительной схемы, уставок, настроек и автоматического восстановления работоспособности устройства в случае замены какого-либо из модулей осуществляется программно, как с подключенного местно ПК, так и с АРМ диспетчера (на чертеже не показаны). Силовые выходные реле модуля 2, объединенные с клеммами 4, образуют клеммный ряд шкафа УПАСК и/или РЗ и ПА, что исключает необходимость использования большого количества проводных связей между элементами конструкции, уменьшает объем работ при наладке и эксплуатации, улучшает помехозащищенность, а также освобождает место внутри шкафа, благодаря чему появляется возможность размещения дополнительного оборудования.
Выполнение модулей 1, 2 в виде самостоятельных узлов, а также реализация связи между ними позволяют устанавливать их в шкафу УПАСК и/или РЗ и ПА обособленно, что значительно упрощает не только конструкцию, но эксплуатацию и ремонт устройства, сокращая при этом временные и трудовые затраты.
Отличительной особенностью является и то, что каждый из модулей 1, 2 оснащен центральным процессором на плате управления (ЦП) 5, на которой расположены подключенные к процессору автономный модуль блока питания 6, модуль индикации 7 со светодиодной цифровой индикацией для отображения собственного состояния и/или неисправного элемента, модуль внешней сигнализации 8 с реле с сухими контактами на каждом из модулей и модуль шкафной сети 9, имеющий обратную связь с каналом проводной связи 3 и центральным процессором 5, оснащенным энергонезависимой памятью в виде журнала событий, предназначенного для фиксации и хранения информации о параметрах и времени произошедших событий, уставок, настроек и изменений функциональной и исполнительной схемы устройства, а также о лице, осуществившем ввод устройства в работу, дате ввода устройства в работу и т.п. Информация хранится, по меньшей мере, в течение срока службы устройства.
К центральному процессору модуля управления 1 подключены модуль приема сигналов УПАСК 10, а также модуль приема сигналов управления 11, двусторонней связью соединенный с модулем ключей управления 12, который, в свою очередь, связан с центральным процессором 5 и выведен на внешнюю панель модуля управления 1, предназначенную для управления устройством и отображения оперативной текущей информации. Ключи управления разделены на разрешающие прохождение команд (ключи управления) и разрешающие изменение положения ключей управления, включение режима тестирования и т.п. Каждый ключ управления соответствует определенному номеру команды, которая программно задается заранее и может быть изменена при формировании новой исполнительной схемы шкафа, при этом изменение исполнительной схемы осуществляется как местно с ПК, так и с АРМ диспетчера. Количество команд может быть от 1 до 64. Ключи управления могут быть или в виде кнопок, или переключателей, или виртуальными. Количество ключей управления может варьироваться от 1 до 96. Модуль приема сигналов УПАСК 10 снабжен устройством, срабатывающем при внешнем воздействии, в частности, при поступлении сигнала. В качестве такого устройства применен, например, триггер (на чертеже не показан). Модуль приема сигналов управления 11 служит для разрешения замыкания выходных реле при тестировании устройства (подтверждение намерения опробования прохождения команд с замыканием выходных контактов) и разрешения изменения положения ключей управления при нажатии кнопок ключей управления на панели модуля управления (защита от изменения положения ключей управления при случайном нажатии).
К центральному процессору модуля исполнительных реле 2 подключен, по меньшей мере, один модуль выходных реле 13, выходы которых соединены с соответствующими управляемыми устройствами, например высоковольтными выключателями (на чертеже не показаны), причем количество выходных реле для одной команды может достигать 96. Двусторонней связью с центральным процессором модуля 2 соединены модуль связи с персональным компьютером (ПК) 14 и модуль связи с АСУТП 15, который имеет двустороннюю связь с АРМ диспетчера. Связь модуля 14 с ПК осуществляется через встроенный USB-порт. Дополнительно к центральному процессору модуля исполнительных реле 2 присоединен выход модуля блокировки 16, вход которого подключен к УПАСК. Каждый центральный процессор имеет плату управления 17, при этом плата управления центрального процессора модуля 2 связана с блоком выходных реле 13.
На входах каждого модуля блока питания 6 установлены модуль внешних фильтров и модуль конденсаторных блоков, объединенные между собой (на чертеже не показаны). Модули внешних фильтров предназначены для фильтрации оперативного тока постоянного напряжения от электромагнитных помех, подаваемого на выходы ПРД (передача) и входы ПРМ (прием) команд соответственно.
Осуществление изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения.
Заявляемое устройство выполняет непрерывный контроль за исправностью всех модулей и их элементов, в том числе исполнительных реле. Контроль не прерывается при исполнении команд и наступлении иных событий.
При появлении любой неисправности срабатывают модули внешней сигнализации с электромеханическими реле с сухими контактами, которые замыкают контакты при срабатывании, и светодиодной цифровой индикации, что позволяет выявить имеющий повреждения модуль, тип неисправности или неисправный элемент.
Предлагаемое решение реализовано на базе интеллектуальной системы управляющих воздействий «ЭЛИС» (ИСУВ «ЭЛИС»).
Пример №1
При появлении входного сигнала от УПАСК центральный процессор модуля управления, на котором произошло воздействие, формирует информационный пакет с указанием номера команды и передает его в шкафную сеть, при этом производится запись в журнале событий. Поступивший сигнал принимают все установленные модули, в том числе и МИР с ПУ, при этом исполнение принятой команды производится теми МИР с ПУ, у которых в исполнительной схеме записана реализация данной принятой команды. Реализация команды осуществляется путем воздействия на соответствующие этой команде реле. Запись о реализации соответствующим реле поступившей команды производится в журнале событий. Исполнительная схема и записанная информация о положении ключей управления (КУ) являются масками для срабатывания реле, согласно которой центральный процессор (ЦП) передает воздействие на драйверы соответствующих реле. При положении ключа управления "разрешено", подтверждении исполнения команды цепями блокировки выходных реле, подающей питание непосредственно на один из контактов выходных реле, в модуле исполнительных реле срабатывают реле, программно назначенные поступившему от УПАСК сигналу.
Осуществление блокировки.
Пример №2
При появлении входного сигнала от УПАСК центральный процессор (ЦП) модуля управления МУ, на котором произошло воздействие, формирует информационный пакет с указанием номера команды и передает его в шкафную сеть, при этом производится запись в журнале событий. Поступивший сигнал принимают все установленные модули, в том числе и МИР с ПУ, при этом исполнение принятой команды производится теми МИР с ПУ, у которых в исполнительной схеме записана реализация данной принятой команды. Реализация команды осуществляется путем воздействия на соответствующие этой команде реле. Запись о реализации соответствующим реле поступившей команды производится в журнале событий. Исполнительная схема и записанная информация о положении КУ являются масками для срабатывания реле, согласно которой ЦП передает воздействие на драйверы соответствующих реле. При положении ключа управления "разрешено", не подтверждении команды цепями блокировки выходных реле, подающей питание непосредственно на один из контактов выходных реле, в модуле исполнительных реле не срабатывают реле по причине отсутствия питания на их обмотках. Производится запись события.
Пример №3
При появлении входного сигнала от УПАСК ЦП МУ, на котором произошло воздействие, формирует информационный пакет с указанием номера команды и передает его в шкафную сеть, при этом производится запись в журнале событий. Поступивший сигнал принимают все установленные модули, в том числе и МИР с ПУ, при этом исполнение принятой команды производится теми МИР с ПУ, у которых в исполнительной схеме записана реализация данной принятой команды. Реализация команды осуществляется путем воздействия на соответствующие этой команде реле. Запись о реализации соответствующим реле поступившей команды производится в журнале событий. Исполнительная схема и записанная информация о положении КУ являются масками для срабатывания реле, согласно которой ЦП передает воздействие на драйверы соответствующих реле. При положении ключа управления "запрещено", подтверждении команды цепями блокировки выходных реле, подающей питание непосредственно на один из контактов выходных реле, в модуле исполнительных реле не срабатывают реле по причине запрещения работы реле ключом управления.
Пример №4
При появлении входного сигнала от УПАСК ЦП МУ, на котором произошло воздействие, формирует информационный пакет с указанием номера команды и передает его в шкафную сеть, при этом производится запись в журнале событий. Поступивший сигнал принимают все установленные модули, в том числе и МИР с ПУ, при этом исполнение принятой команды производится теми МИР с ПУ, у которых в исполнительной схеме записана реализация данной принятой команды. Реализация команды осуществляется путем воздействия на соответствующие этой команде реле. Запись о реализации реле поступившей команды производится в журнале событий. Исполнительная схема и записанная информация о положении КУ являются масками для срабатывания реле, согласно которой ЦП передает воздействие на драйверы соответствующих реле. При положении ключа управления "запрещено", неподтверждении команды цепями блокировки выходных реле, подающей питание непосредственно на один из контактов выходных реле, в модуле исполнительных реле не срабатывают реле по причине запрещения работы этих реле ключом управления.
Осуществление контроля работоспособности шкафной сети и входящих в нее устройств
Пример №5
При появлении неисправности шкафной сети (потеря связи хотя бы с одним из модулей, перерывов связи, повреждении данных) срабатывает сигнализация о неисправности с указанием на индикаторе неисправного устройства, происходит запись в журнале событий. Дальнейшая работа определяется заданными сценариями действий при обнаружении неисправностей. Все модули получают информацию о состоянии других модулей. Дальнейшая работоспособность интеллектуальной системы ЭЛИС определяется программно заданными сценариями действий при обнаружении неисправностей, хранящимися в каждом из модулей.
Контроль целостности обмоток исполнительных реле, в частности КЗ, обрыва.
Пример №7
ЦП в МИР с ПУ с настраиваемой периодичностью, например, от 2 до 250 мс, опрашивает малым напряжением с малым током обмотку выходного реле. При повреждении цепи питания обмотки реле (короткое замыкание или обрыв) ток в цепи будет возрастать или отсутствовать. ЦП МИР с ПУ передает полученную о неисправности информацию в шкафную сеть, откуда сигнал поступает в остальные модули ЭЛИС, замыкает выходные контакты реле сигнализации и срабатывает сигнализация на индикаторе с указанием на неисправный элемент. В журнале событий производится соответствующая запись. Дальнейшая работоспособность ЭЛИС определяется программно заданными сценариями действий при обнаружении неисправностей.
Выявление неисправностей цепей ключей управления
Пример №8
ЦП в МУ опрашивает элемент определения замыкания контакта КУ. При повреждении элемента ЦП МУ передает информацию о неисправности в шкафную сеть, сигнал поступает в остальные модули ЭЛИС, замыкает выходные контакты реле сигнализации и срабатывает сигнализация на индикаторе с указанием на неисправный элемент, происходит запись в журнале событий. Дальнейшая работоспособность ЭЛИС определяется заданными сценариями действий при обнаружении неисправностей.
Мониторинг уровня питающего напряжения каждым из модулей.
Пример №9
Каждый ЦП следит за напряжением питания модулей. В случае снижения питающего напряжения замыкаются выходные контакты реле сигнализации и на соответствующем модуле срабатывает сигнализация о неисправности с указанием на эту неисправность, происходит запись в журнале событий. Дальнейшая работоспособность ЭЛИС определяется заданными сценариями действий при обнаружении неисправностей.
Проверка работоспособности цепей входов от УПАСК
Пример №10
ЦП в МУ опрашивает элемент определения замыкания контакта КУ. При повреждении элемента, ЦП МУ передает информацию о неисправности в шкафную сеть, сигнал поступает в остальные модули ЭЛИС, замыкает выходные контакты реле сигнализации и срабатывает сигнализация о неисправности с указанием на индикаторе на причину неисправности, происходит запись в журнале событий. Дальнейшая работоспособность ЭЛИС определяется заданными сценариями действий при обнаружении неисправностей.
Настройка сценариев действий при выявлении неисправности
Пример №11
При выявлении какой-либо неисправности модуля или элемента модуля, ЭЛИС может действовать по заранее программно определенному сценарию действий при неисправности. Сценарии при наличии неисправности предусматривают или полный вывод модуля или элемента модуля из работы, или частичный вывод из работы.
Проведение тестирования в автоматическом режиме
Пример №12
При появлении питания модулей ЭЛИС после отсутствия питания более 10 секунд, МУ, назначенный главным модулем (мастер), опрашивает модули в сети, сверяет их с имеющейся спецификацией сети для определения наличия отключенных модулей, появления новых или подмены схемы и настроек в модулях. По завершении тестирования в случае обнаружения дополнительного нового модуля главный модуль вводит в работу модули, установленные ранее, и блокирует новый. При исчезновении ранее установленного модуля и появлении нового в него автоматически записывается исполнительная схема имевшегося модуля, хранящаяся на всех модулях ЭЛИС, и устройство вводится в работу. При исчезновении модуля и непоявлении другого, ЭЛИС выводится из работы или действует согласно иному программно записанному сценарию работы при неисправности.
Проведение тестирования в ручном режиме
Пример №13
Для проверки срабатывания реле соответствие записанной исполнительной схемы проектной обеспечивается возможность проведения тестирования, имитирующего воздействие УПАСК или устройства РЗ и ПА на входах МУ. При активном режиме "ТЕСТ", определяемом переключателем в шкафу УПАСК и/или РЗА и ПА, при команде на замыкание исполнительных реле, отдаваемой оператором ПК, происходит срабатывание выходных реле в соответствии с записанной исполнительной схемой. При неактивном режиме «ТЕСТ» срабатывания реле не происходит, а результат тестирования можно получить из журнала событий, который выводится на экран ПК.
Оперативное изменение схемы шкафа непосредственно на месте с ПК или с АРМ диспетчера.
Пример №14
С ПК, подключенного к ЭЛИС по USB или посредством сервера АСУТП (АРМ диспетчера), возможно изменение исполнительной схемы шкафа. На вкладке "исполнительная схема" в ПО ПК назначаются команды, группы ключей управления с логикой, выходные реле и настройки выходных реле. После нажатия клавиши «изменить схему» новая исполнительная схема записывается во все модули устройства.
Возможность формирования отчета по итогам теста
Пример №15
По итогам проведенного тестирования в журнале событий формируется отчет о тестовых событиях с указанием имитированных команд, реализованных команд, сработавших реле и т.д. Для всех событий записывается время их наступления. Отчеты доступны для чтения и сохранения в ПО ПК в соответствующем разделе "Отчеты".
Синхронизация
Пример №16
Модули ЭЛИС синхронизируют свое время друг с другом в процессе обмена информацией на основании временной метки, полученной от сервера АСУТП. При поступлении запроса с сервера АСУТП время синхронизируется с сервером АСУТП, т.к. в каждом запросе присутствует метка времени для синхронизации часов, информация о синхронизации передается по шкафной сети для одновременной синхронизации времени для всех модулей.
Предлагаемое к защите устройство контроля и управления сигналами релейной защиты и противоаварийной автоматики энергетических сетей может быть реализовано различными программно-аппаратными средствами. Варианты осуществления, описанные выше, были представлены в качестве примера, а не для ограничения.