Микропроцессорная система релейной защиты и автоматики с защитой программного обеспечения от несанкционированного доступа

 

Изобретение относится к электротехнике и микропроцессорной технике и может быть использовано в технике релейной защиты объектов. Цель изобретения - уменьшение габаритов (устройства) и расширение функциональных возможностей микропроцессорной системы релейной защиты и автоматики за счет исключения блока частотных фильтров и аналого-цифрового преобразователя, введения формирователя аналоговых сигналов; а в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, введения микроконтроллера, пульта управления с клавиатурой и индикацией, узла идентификаций, второго регистра и второго драйвера. Микропроцессорная система релейной защиты и автоматики с защитой программного обеспечения от несанкционированного доступа содержит блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, формирователь аналоговых сигналов, микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты с пультом управления. Предложенное устройство предназначено для выполнения функций релейной защиты, автоматики, управления и сигнализации присоединений напряжением от 6 до 35 кВ, в сетях 0,4 кВ, а также для использования в качестве устройств резервной защиты и автоматики для присоединений 110 и 220 кВ. Микропроцессорная система релейной защиты и автоматики с защитой программного обеспечения от несанкционированного доступа может устанавливаться в релейных отсеках КРУ собственных нужд электростанций, на распределительных подстанциях сетевых предприятий, на подстанциях промышленных и коммунальных предприятий, объектов нефтегазового комплекса, предприятий горнодобывающей промышленности, на тяговых подстанциях железных дорог и метрополитена, на пунктах секционирования в распределительных сетях 6-35 кВ.

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;

51 - индикация;

52 - 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;

C1 - конденсатор типа T491B685M010AS фирмы "Kemet" или аналогичный;

V1 - напряжение 1,65 В;

V2 - напряжение 3,3 В.

На фиг.3 обозначены:

31.131.X - узлы формирования аналоговых сигналов по току;

32.132.Y - узлы формирования аналоговых сигналов по напряжению;

R1 - резисторы типа RC0805FR07 фирмы "Yageo" или аналогичные;

R2 - 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;

L1 - диод светоизлучающий типа L-7104LID фирмы "Kingbright" или аналогичный;

V3 - 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.

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 51 и клавиатурой 52, 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.

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 31.131.X и 32.132.Y 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 2, 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;

- измерение действующих значений тока 3I0;

- вычисление фазовых сдвигов между основными гармониками тока 3I0 и напряжения 3U0, фазными токами IA, IC и линейными напряжениями UBC, UAB соответственно;

- вычисление токов и напряжений прямой и обратной последовательности;

- вычисление тока 3I 0 и напряжения 3U0 по фазным токам и напряжениям;

- измерение частоты;

- вычисление коэффициента мощности cos ;

- 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).

Микропроцессорная система релейной защиты и автоматики, содержащая 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, отличающаяся тем, что содержит формирователь аналоговых сигналов, причем микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты содержит микроконтроллер, пульт управления с клавиатурой и индикацией, 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 группы входов которого соединена с группами выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения соответственно.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к электротехнике и предназначено для регулирования реактивной мощности резкопеременных нагрузок (РПН) промышленных предприятий, например, дуговых сталеплавильных печей, с помощью статических тиристорных компенсаторов (СТК), в которых датчик реактивной мощности является основным динамическим звеном регулятора системы управления СТК

Домофон // 64459

Полезная модель относится к производству и проектированию сложных электротехнических изделий на основе печатных плат, в частности, на основе маршрута проектирования печатных плат Expedition PCB, вокруг которого формируется единая среда проектирования от моделирования до верификации с учетом результатов трассировки и особенностей производства.
Наверх