МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ С СИНХРОНИЗАЦИЕЙ ПО АСТРОНОМИЧЕСКОМУ ВРЕМЕНИ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ ДЛЯ СВЯЗИ С УСТРОЙСТВАМИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ

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 и ограниченные функциональные возможности.
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 и также имеет большие габариты.
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 и ограниченные функциональные возможности.
Технический результат - расширение функциональных возможностей микропроцессорной системы релейной защиты и уменьшение габаритов реализующего ее устройства за счет введения:
в устройство - формирователя, коммутатора, пульта управления, содержащего дисплей, клавиатуру, индикацию и канал связи с ПК;
в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты - микроконтроллера, второго драйвера последовательного канала и узла синхронизации.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство содержащее 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, устройство аналогового ввода-вывода, устройство дискретного ввода-вывода, шинный формирователь и драйвер последовательного канала, причем группы входов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения являются группами входов устройства, 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 и первой группой входов-выходов устройства, первая группа входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты является группой входов-выходов шинного формирователя, третья группа входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты является группой входов-выходов первого драйвера последовательного канала введен формирователь, коммутатор и пульт управления, содержащий дисплей, клавиатуру и индикацию, причем в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, введен микроконтроллер, второй драйвер последовательного канала и узел синхронизации, группа входов-выходов которого является второй группой входов-выходов устройства и четвертой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, пятая группа входов-выходов которой соединена с группой входов-выходов формирователя и коммутатора, первая группа входов-выходов пульта управления соединена с первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, третья и шестая группа входов-выходов которой является третьей и четвертой группой входов-выходов устройства, пятая группа входов-выходов которого является второй группой входов-выходов пульта управления, группа входов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты соединена с группой выходов коммутатора, первая и вторая группа входов которого соединена, соответственно, с первой и второй группами входов формирователя и с группами выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения.
На фиг.1 приведена структурная схема системы;
на фиг.2 - приведены 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 и коммутатора;
на фиг.4 - пример реализации узлов усилителей;
на фиг.5 - пример реализации микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты;
на фиг.6 - пример реализации узла синхронизации;
на фиг.7 - пример реализации пульта управления;
на фиг.8 - внешний вид прототипа и пример реализации заявляемого устройства (микропроцессорной системы релейной защиты).
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;
4 - коммутатор;
5 - микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты;
6 - узел синхронизации;
7 - приемо-передатчик GPS (в устройство не входит и приведен Как пример задания синхронизации);
8 - пульт управления;
9 - индикация (светодиоды типа L-7104LID фирмы "Kingbriaht" или аналогичные;
10 - дисплей;
11 - клавиатура, например "М-Графика" или аналогичная;
12 - группа токовых сигналов защищаемого объекта;
13 - группа сигналов напряжения защищаемого объекта;
14, 15 - группы выходных сигналов с блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения;
16 - группа выходов коммутатора;
17 - группа входов-выходов формирователя и коммутатора;
18 - группа входов-выходов для связи с внешними устройствами т.е. входы-выходы устройства аналогового ввода-вывода (УАВВ) и входы-выходы устройства дискретного ввода-вывода (УДВВ);
19 - группа входов-выходов для связи с АСУ-канал RS-485;
20 - канал синхронизации;
21 - группа входов-выходов для связи с АСУ-канал Ethernet;
22 - антенна, например А2000 или аналогичная;
23 - группа входов-выходов для связи с пультом управления;
24 - группа входов-выходов для связи с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ)- канал RS-232;
25 - сигнал приемо-передатчика.
На фиг.2 обозначены:
26 - операционный усилитель преобразования и масштабирования входных сигналов. В качестве операционного усилителя можно использовать микросхему типа AD8602AR фирмы "Analog" 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;
Т - трансформаторы тока или напряжения типа ТТ, ТН или аналогичные;
Д - сборка диодная типа BAV99 фирмы "PHI" или аналогичная;
V - напряжение 3,3 В;
1
V - напряжение 1,5 В и цепь питания g.
На фиг.3 обозначены:
27 - мультиплексоры типа MAX478FUE фирмы "Maxim" или аналогичные;
28 - регистр последовательного канала типа MAX7315AUF фирмы "Maxim" или аналогичный;
29 - электронные ключи типа TS5A2066DCUR фирмы "Maxim" или аналогичные;
30…32 - узлы усилителей;
33 - компаратор типа TS391IL фирмы "ST" или аналогичный;
R - резисторы типа RC0805FR07 фирмы "Yageo" или аналогичные;
С - конденсатор типа CC0805KRX9BN104 фирмы "Yageo" или аналогичные;
V - напряжение 3,3 В.
На фиг.4 обозначены:
34 - усилители типа AD8602AR фирмы "Analog" или аналогичные;
R - резисторы типа RC0805FR07 фирмы "Yageo" или аналогичные;
С - конденсаторы типа CC0805KRX9BN104 фирмы "Yageo" или аналогичные;
1
C - конденсаторы типа T491B685M010AS фирмы "Kemet" или аналогичный;
Д - сборка диодная типа BAV99 фирмы "PHI" или аналогичная;
V - напряжение 3,3 В.
На фиг.5 обозначены:
35 - микроконтроллер типа AT91SAM7X512-AU фирмы "Atmel" или аналогичный;
36, 37 - аналого-цифровой преобразователь, центральный процессор в составе микроконтроллера;
38 - драйвер для связи с АСУ типа SN65LBC184D фирмы "Texas Instruments" или аналогичный (канал RS-485);
39 - драйвер с формирователем протокола обмена для связи с АСУ по каналу Ethernet;
40 - устройство дискретного ввода-вывода (УДВВ);
41 - устройство аналогового ввода-вывода (УАВВ);
42 - шинный формирователь типа 74НС75410 фирмы "PHI" или аналогичный;
43 - ОЗУ типа FM25CL64-G фирмы "Ramtron"или аналогичное;
44 - ПЗУ типа AT45DB642D-TU фирмы “Atmel” или аналогичное;
45 - часы реального времени типа DS3234SN фирмы "Dallas или аналогичные.
На фиг.6 обозначены:
46 - формирователь типа 74LVC2G17GW фирмы "PHI" или аналогичный;
47 - преобразователь уровня типа MAX3535FFWI фирмы "Texas Instruments" или аналогичный;
R - резистор типа RT0805BRD07 фирмы "Yageo" или аналогичный;
С - конденсаторы типа CC0805KRX9BN104 фирмы "Yageo" или аналогичные;
Т - трансформатор типа TGM-240NS фирмы "HALO" или аналогичный;
1
Д - сборка диодная типа BAW56 фирмы "PHI" или аналогичная;
2
Д - сборка диодная типа BAV70 фирмы "PHI" или аналогичная;
L - дроссель типа LD11-0246F фирмы "HALO" или аналогичный;
V - напряжение 3,3 В.
На фиг.7 обозначены:
48 - мультиплексор типа РСА 9540BD фирмы "PHI" или аналогичный;
49 - микроконтроллер типа AT91SAM7S256-AU-001 фирмы “Atmel” или аналогичный;
50 - набор регистров типа MAX7315AUF фирмы “Maxim” или аналогичный;
51 - шинный формирователь типа 74HC7540D фирмы “РHI” или аналогичный.
52 - драйвер для связи с ПЭВМ (канал RS-232);
На фиг.8 обозначены:
53 - прототип;
54 - заявляемое устройство.
Для упрощения схемы микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты на фиг.5 не показаны: резонатор и цепи управления, цифровые изоляторы, мультиплексоры и т.д. (т.е. элементы не влияющие на описание работы устройства.
Микропроцессорная система релейной защиты содержит блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2, формирователь 3, коммутатор 4, микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 5 и пульт управления 8, содержащий индикацию 9, дисплей 10 и клавиатуру 11, микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 5, содержит микроконтроллер 35, состоящий из аналого-цифрового преобразователя 36 и процессора 37, драйверы для связи с АСУ 38 и 39, устройство аналогового ввода-вывода 41, устройство дискретного ввода-вывода 40, шинный формирователь 42, оперативное запоминающее устройство 43, постоянное запоминающее устройство 44 и часы реального времени 45.
Группы входов 12 и 13 блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2 являются группами входов устройства, вторая группа входов-выходов 18 микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 5, является группой входов-выходов для связи с внешними устройствами и первой группой входов-выходов устройства, группа входов-выходов 20 узла синхронизации 6 является второй группой входов-выходов устройства и четвертой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 5, пятая группа входов-выходов 17 которого соединена с группой входов-выходов формирователя 3 и коммутатора 4, первая группа входов-выходов 23 пульта управления 8 соединена с группой входов-выходов шинного формирователя 42, которая является первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 5, третья 19 и шестая 21 группа входов-выходов которой является третьей и четвертой группой входов-выходов устройства, пятая 24 группа входов-выходов которого является второй группой входов-выходов пульта управления 8, группа входов 16 микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 5 соединена с группой выходов коммутатора 4, первая 14 и вторая 15 группа входов которого соединена, соответственно, с первой и второй группами входов формирователя 3 и с группами выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2.
Микропроцессорная система релейной защиты работает следующим образом: сигналы от первичных трансформаторов тока 12 и напряжения 13 защищаемого объекта поступают на промежуточные трансформаторы Т блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения 1 и 2. Промежуточные трансформаторы Т обеспечивают гальваническую развязку и предварительное масштабирование входных сигналов. Первичные обмотки трансформаторов обеспечивают заданную термическую стойкость при перегрузках. Усилители, реализованные на микросхеме 26, диодных сборках Д, резисторах R служат для предварительного масштабирования сигналов промежуточных трансформаторов. Конденсаторы С, в цепи обратной связи усилителей 26, являются фильтрами нижних частот - пропускают составляющие тока и напряжения определенной частоты и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами, искажающими синусоиду тока и напряжения. С выходов усилителей 26 сигналы поступают на входы формирователя 3 и коммутатора 4, которые служат для расширения диапазона измерения поступающих сигналов тока и напряжения. Далее сигналы по каналам 16 и 17 поступают в аналого-цифровой преобразователь 36 микроконтроллера 35 для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую), т.к. последующая обработка сигналов производиться процессором 37. Работой аналого-цифрового преобразователя 36 управляет процессор 37 микроконтроллера 35, который обеспечивает цифровую фильтрацию входных сигналов, расчет вторичных электрических параметров сети, выполнение процедур самодиагностики, а также поддерживает обмен с пультом управления 8 и клавиатурой 11 по каналу 23, устройствами ввода-вывода 40 и 41. Для отображения оперативной информации на пульте управления 8 служит индикация 9 и дисплей 10.
Таким образом, микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 5 получает значения электрических параметров защищаемого объекта из аналого-цифрового преобразователя 36 и информацию о состоянии дискретных входов от УДВВ 40.
На основании этой информации, а также значений программных ключей и уставок, хранящихся в ПЗУ 44, вырабатываются, в соответствии с алгоритмами защиты, команды управления выходными реле и сигнализацией, которые поступают через УАВВ 41 по каналу 18 на объекты управления и сигнализации.
Устройство синхронизации 6 осуществляет синхронизацию по времени процессов работы микропроцессорной системы от внешнего сигнала 25 поступающего через антенну 22 приемо-передатчика 7 по каналу 20.
Синхронизация по астрономическому времени позволяет включать микропроцессорную систему релейной защиты в автоматизированные системы управления на объектах, процессы управления в которых привязаны к единому времени.
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 37 микроконтроллера 35 обеспечивает обмен с АСУ по каналам 19 и 21, через драйверы 38 и 39, соответственно, и с ПЭВМ по каналу 23 через драйвер 52.
Микропроцессорная система релейной защиты 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; технический учет электроэнергии; определение места повреждения; функцию календаря и часов с синхронизацией хода часов по астрономическому времени; 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; обмен с АСУ и другими устройствами релейной защиты и автоматики на объекте по заданному протоколу, например MODBUS или МЭК 61850.
Базовые функции защиты, выполняемые устройством: 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 защита; дистанционная защита.
Базовые функции автоматики, выполняемые устройством:
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; контроль и улавливание синхронизма.
Функции сигнализации, выполняемые устройством:
срабатывание защит и автоматики; аварийная сигнализация; вызывная сигнализация; обобщенная сигнализация.
0
0
0
A
C
BC
AB
0
0
Функции измерения параметров сети, выполняемые устройством: измерение действующих значений токов и напряжений; измерение действующих значений тока 3I; 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; вычисление тока 3I и напряжения 3U по фазным токам и напряжениям; измерение частоты; вычисление коэффициента мощности cosφ; вычисление активной, реактивной и полной мощности; максиметр измеряемых величин.
Пульт управления 8 содержит: графический светодиодный дисплей 10; индикацию 9: 5 светодиодов с функциями назначенными изготовителем и 16 светодиодов с функциями назначаемыми пользователем; пленочную клавиатуру 11; канал связи с ПК 24.
Таким образом, введение в устройство формирователя, коммутатора и пульта, а в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты микроконтроллера, узла синхронизации и второго драйвера - расширяет функциональные возможности микропроцессорной системы и делает ее абсолютно универсальным устройством, снимающим практически все проблемы при заказе, проектировании, модернизации КРУ на объекте и при определении состава ЗИП.
Исключение из микропроцессорной системы, по сравнению с прототипом, аналого-цифрового преобразователя и блока частотных фильтров привело к уменьшению габаритов устройства в 1,5 раза (см. фиг.8).