Многопроцессорная система релейной защиты высоковольтного трансформатора

Полезная модель относится к вычислительной технике и технике релейной защиты и предназначена для релейной защиты высоковольтного трансформатора. Цель изобретения - расширение функциональных и аппаратных возможностей системы за счет введения функций непосредственного управления высоковольтным трансформатором с сохранением функций автоматизации процесса сбора информации о состоянии вводов, присоединений объекта контроля и управления, автоматизации сбора, регистрации, анализа и хранения информации об аварийных процессах с возможностью группового конфигурирования и управления уставками микропроцессорных устройств релейной защиты, сбора диагностической информации от блоков релейной защиты и автоматики. Многопроцессорная система содержит три устройства обработки и узел коммутации. Предложенная многопроцессорная система может быть использована как многофункциональный отказоустойчивый программно-аппаратный комплекс для решения задач управления устройствами релейной защиты и автоматики.

Полезная модель относится к вычислительной технике и технике релейной защиты и предназначена для защиты и регулирования коэффициента трансформации силового трансформатора напряжением до 220 кВ.

Известная многопроцессорная вычислительная система [А.С. G 06 F 15\16 №1820391 Б.И. №21 1993 г.] содержащая N - устройств обработки, М - устройств ввода-вывода и запоминающее устройство, причем устройство обработки содержит вычислительный блок, первый и второй блоки отключения, формирователь импульсов, триггер управления и элемент И используется для решения различных задач управления, но обладает ограниченными функциональными и аппаратными возможностями для защиты и регулирования высоковольтного трансформатора.

Многопроцессорная вычислительная система [А.С. G 06 F 15\16 №1805477 Б.И. №12 1993 г.] содержащая N устройств обработки и N узлов связи, причем каждое устройство обработки содержит блок обработки и два узла сопряжения с магистралью, причем каждый узел связи содержит девять элементов И, четыре элемента ИЛИ и триггер имеет широкие возможности реконфигурации для решения различных задач, но также обладает ограниченными функциональными и аппаратными возможностями для защиты и регулирования высоковольтного трансформатора.

Наиболее близким техническим решением является многомикропроцессорная система релейной защиты и автоматики с отображением информации на общем дисплее [Патент RU G 06 F 15\16 №49304 Б.И. №31 2005 г.] содержащая N устройств обработки, устройство сопряжения с объектом, регистратор аварийных процессов и событий, функциональный контроллер с дисплеем и процессором, причем каждое устройство обработки содержит блок обработки и два узла сопряжения с магистралью. Прототип имеет широкие функциональные возможности для управления различными процессами обработки информации, но также имеет ограниченные функциональные и аппаратные возможности для защиты и регулирования высоковольтного трансформатора.

Цель изобретения - расширение функциональных и аппаратных возможностей системы за счет введения функций защиты и регулирования высоковольтным трансформатором.

Поставленная цель достигается тем, что в известную систему содержащую N - устройств обработки (N=3) и регистратор аварийных

процессов и событий, причем каждое устройство обработки содержит блок обработки и два узла сопряжения с магистралью, а регистратор аварийных процессов и событий содержит узел регистрации и два узла сопряжения с магистралью, причем информационные входы-выходы второй группы каждого N-го устройства обработки и регистратора аварийных процессов и событий являются первой группой входов-выходов системы, вторая группа входов-выходов которой является группой входов-выходов N-ых блоков обработки, первая и вторая группа входов которых и узла регистрации является первой и второй группой входов системы, введен узел коммутации, причем узел коммутации содержит n - диодов, шесть реле и m - нагрузочных резисторов, причем информационные входы-выходы первой группы каждого N-го устройства обработки и регистратора аварийных процессов и событий являются третьей группой входов-выходов системы, группа выходов которой является группой выходов узла коммутации, первая, вторая и третья группа входов-выходов которого является группой входов-выходов первого, второго и третьего блока обработки, соответственно, третья и четвертая группа входов системы является первой и второй группой входов узла коммутации, четвертая группа входов-выходов которого является четвертой группой входов-выходов системы.

На фиг 1 приведена схема соединения многопроцессорной системы релейной защиты с высоковольтным трансформатором с выключателем.

На фиг.2 - пример реализации устройства обработки.

На фиг.3 - пример реализации 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.4 - пример реализации фрагмента схемы узла коммутации со схемами управления электромагнитами выключателя трансформатора и его устройствами защиты.

На фиг.1 обозначены:

1 - выключатель трансформатора типа 3AP1-FG-1 или аналогичный;

2 - высоковольтный трансформатор;

3₁ ...3₃ - устройства обработки;

4 - регистратор аварийных процессов и событий;

5 - блок обработки;

6 - узел регистрации;

7 - узел сопряжения с магистралью (интерфейс RS-232);

8 - узел сопряжения с магистралью (интерфейс RS-232);

9 - узел коммутации;

10₁ /10₂ - высоковольтная линия 220/110 кВ;

11 - группа токовых сигналов от высоковольтной линии;

12 - группа сигналов напряжения от высоковольтной линии;

13 - (интерфейс RS-232);

14₁-14 ₃ - группы входов-выходов блоков обработки, для связи с внешними устройствами, т.е. входы-выходы устройства аналогового ввода-вывода (УABB) и входы-выходы устройства дискретного ввода-вывода (УДВВ);

15 - (интерфейс RS-485);

16 - группа сигналов внешней защиты и автоматики, находящейся на подстанции;

17 - группа сигналов от ключей управления и сигналы телеуправления;

18 - группа выходных сигналов в другие шкафы подстанции;

19 - группа сигналов управления высоковольтным трансформатором с выключателем.

На фиг.2 обозначены:

20 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования сигналов в виде тока;

21 - формирователь сигналов контроля и диагностики;

22 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования сигналов в виде напряжения;

23 - блок частотных фильтров;

24 - аналого-цифровой преобразователь блока обработки;

25 - микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты блока обработки.

На фиг.3 обозначены:

26 - операционный усилитель преобразователя измерительного тока блока гальванической развязки и масштабирования входных сигналов в виде тока;

27 - операционный усилитель преобразователя измерительного напряжения блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения.

В качестве операционных усилителей можно использовать микросхему типа QP177GP или аналогичную.

R, R1 - резисторы типа С2-33 или аналогичные;

Т - трансформаторы тока или напряжения типа ТТ-1Т...ТТ-5Т, ТН-1Т или аналогичные;

Д - диоды типа 2D510A или аналогичные;

V1 - транзистор типа BD135 или аналогичный;

V2 - транзистор типа BD136 или аналогичный.

На фиг.4 обозначены:

28 - первый электромагнит отключения выключателя трансформатора;

29 - второй электромагнит отключения выключателя трансформатора;

30 - электромагнит включения выключателя трансформатора;

31 - устройство регулирования под нагрузкой типа VACUTAP фирмы МР или аналогичное;

32 - газовое реле типа РГЧЗ-66 или аналогичное;

33 - клапан предохранительный серии 208/213 фирмы QualiTROL или аналогичный;

К1...К6 - обмотки и контакты реле типа РП-15 фирмы "Relpol" или аналогичные;

Д1...Дn - диоды типа RL-207 фирмы "DC Components CO LTD" или аналогичные;

R1...Rm - резисторы типа 214-8 типа "APATOR" или аналогичные;

- U - напряжение питания.

Блок обработки 5 и входящие в него блок гальванической развязки и предварительного масштабирования сигналов в виде тока 20, блок гальванической развязки и предварительного масштабирования сигналов в виде напряжения 22, блок частотных фильтров 23, формирователь сигналов диагностики 21 и аналого-цифровой преобразователь 24 могут быть реализованы в соответствии с патентом Российской Федерации на изобретение 7 Н 02 Н 7/26 №2173924 от 03.02.2000 Бюл. №26 (фиг.1) или [Н.Н.Чернобровов, В.А.Семенов "Релейная защита энергетических систем" 1998 г стр.778. рис.22.4]. Драйверы 7 каналов (RS-232) и 8 (RS-485) находятся в микропроцессорной системе и на схеме не показаны (см. стр.781). Подробная информация о работе блока обработки и микропроцессорной системы приведена в патенте и указанной литературе на стр.778-783.

Регистратор аварийных процессов и событий 4 выполнен и функционирует в соответствии с описанием приведенном в прототипе.

Все вышеперечисленные схемы приведены для описания работы системы.

На рисунках не показаны цепи оперативного питания системы с выключателями и переключателями, испытательные блоки, через которые поступают фазные токи и напряжения от трансформаторов тока и напряжения линии, а также многие аппаратные компоненты, как не влияющие на работу многопроцессорной системы.

Многопроцессорная система содержит три устройства обработки 3₁ -3₃, регистратор аварийных процессов и событий 4, в который входит узел регистрации 6, узел коммутации 9, каждое устройство обработки 3 содержит блок обработки 5 и узлы сопряжения с магистралью 7 и 8, узел коммутации 9 содержит n - диодов Д, шесть реле К1...К6 и m - нагрузочных резисторов R, информационные входы-выходы 13 второй группы каждого устройства обработки 3 и регистратора аварийных процессов и событий 4 являются первой группой входов-выходов системы, вторая группа входов-выходов 14 которой является группой входов-выходов блоков обработки 5, первая 11 и вторая 12 группа входов которых и узла регистрации 6 является первой и второй группой входов системы, информационные входы-выходы первой группы каждого устройства обработки 3 и регистратора аварийных процессов и событий 4 являются третьей группой 15 входов-выходов системы, группа выходов 18 которой является группой выходов узла коммутации 9, первая 14₁, вторая 14 ₂ и третья 14₃ группа входов-выходов которого является группой входов-выходов первого, второго и третьего блока обработки 5, соответственно, третья 16 и четвертая 17 группа входов системы является первой и второй группой входов узла коммутации 9, четвертая 19 группа входов-выходов которого является четвертой группой входов-выходов системы.

Устройства обработки 3 ₁-3₃ (фиг.2) в многопроцессорной системе резервируют друг друга на случай отказа и реализуют следующие функции:

3₁ - дифференциальную токовую защиту с торможением от всех видов внутренних КЗ;

- дифференциальную токовую отсечку от тяжелых внутренних повреждений, сопровождающихся глубоким насыщением первичных трансформаторов тока;

- функцию устройства резервирования при отказе выключателя 1.

3 ₂ - трехступенчатую максимальную токовую защиту с комбинированным пуском по напряжению;

- защиту от обрыва фазы;

- газовую защиту с использованием газового реле 32;

- дуговую защиту с использованием клапана предохранительного 33;

- функцию блокировки устройств регулирования под нагрузкой 31;

- функцию управления приводом системы охлаждения (на рисунке не показан);

- функцию устройства резервирования при отказе выключателя 1.

3₃ - управление приводом устройства регулирования под нагрузкой;

- автоматическое регулирование коэффициента трансформации трансформатора 2, а также большое количество других специфических защит и работают следующим образом:

- сигналы от первичных трансформаторов тока и напряжения высоковольтной линии 10₁ /10₂ поступают через резисторы R на промежуточные трансформаторы Т блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения 20 и 22 (фиг.3).

Промежуточные трансформаторы Т обеспечивают гальваническую развязку и предварительное масштабирование входных сигналов. Первичные обмотки трансформаторов обеспечивают заданную термическую стойкость при перегрузках. Прецизионные усилители, реализованные на микросхемах 26 и 27, диодах Д, резисторах R, транзисторах V1 и V2 служат для точного масштабирования сигналов и согласования импедансов промежуточных трансформаторов и аналого-цифрового преобразователя. С выходов прецизионных усилителей сигналы поступают на входы аналоговых фильтров блока частотных фильтров 23. Фильтры нижних частот пропускают составляющие тока и напряжения определенной частоты и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами, искажающими синусоиду тока и напряжения. Далее аналоговые сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 24 для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую), т.к. последующая обработка сигналов будет производиться цифровыми микросхемами. Входные отфильтрованные сигналы поступают на мультиплексор 26 (фиг.5 патента №2173924), который производит последовательное подключение входа АЦП 27 (фиг.5 патента №2173924) к одному из каналов блока частотных фильтров 23. Всей работой аналого-цифрового преобразователя 27 управляет микропроцессорное устройство 28 (фиг.5 патента №2173924), которое обеспечивает цифровую фильтрацию входных сигналов, расчет вторичных электрических параметров сети, выполнение процедур

самодиагностики, формирование управляющих сигналов для контроля и диагностики, поступающих на формирователь сигналов контроля и диагностики 21, а также поддерживает обмен с микропроцессорной системой управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 25 через буферные регистры 29 (фиг.5 патента №2173924). Таким образом микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 25 получает значения электрических параметров защищаемого объекта из аналого-цифрового преобразователя 24 и информацию о состоянии дискретных входов от УДВВ. На основании этой информации, а также значений программных ключей и уставок, хранящихся в ППЗУ, вырабатываются команды управления выходными реле и сигнализацией, в соответствии с алгоритмами защиты, которые поступают по каналу 14 на узел коммутации 9 и на объекты управления и сигнализации. Помимо выполнения функций защиты и автоматики центральный процессор микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты [Н.Н.Чернобровов, В.А.Семенов "Релейная защита энергетических систем" 1998 г. стр.778 рис.22.4] управляет минидисплеем, обслуживает клавиатуру пульта, а также обеспечивает обмен с персональной ЭВМ через узел сопряжения с магистралью (драйвер) 7 и с автоматизированной системой управления (АСУ) через узел сопряжения с магистралью (драйвер) 8. 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].

Узел коммутации 9 получает сигналы:

- по каналам 14 ₁, 14₂, 14₃ от блоков обработки 5;

- по каналу 16 от устройств внешней защиты и автоматики, находящихся на подстанции, например, реле давления, устройств контроля изоляции и т.д.;

- по каналу 17 от ключей управления и телеуправления;

- по каналу 19, как пример, от газового реле 32 и клапана предохранительного 33.

Узел коммутации 9 формирует сигналы управления:

- электромагнитами включения 30 и отключения 28, 29 выключателя трансформатора 1;

- устройством регулирования под нагрузкой 31;

- другими шкафами подстанции.

Работа защитных устройств.

Газовое реле 32

Газовое реле применяется для защиты и отключения маслянных трансформаторов мощностью 1000 кВА и более, в случае возникновения таких дефектов, как:

- искровой разряд или дуга между ведущими частями, магнитопроводом или корпусом;

- витковое замыкание;

- попадание воздуха в конструкцию, при нарушениях ее герметичности и т.д. и т.п.

Например, при возникновении внутри трансформатора электрической дуги вокруг нее начинается бурное газовыделение и при скоплении газов в верхней части газового реле замыкается контакт формирующий сигнал в канале 19, который далее поступает через нагрузочные резисторы R1...Rm и канал 14₂ на входы устройства обработки 3₂. Схема (рис.7.6 [2]) и описание работы газового реле приведено в ["Силовые трансформаторы". Справочная книга / под ред. С.Д.Лизунова, А.К.Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004 - Стр.270-272] [1], а также в [Фигурнов Е.П. "Релейная защита". Учебник для вузов ж.-д. трансп. М.: Желдориздат, 2002 - Стр.297-299] [2].

Клапан предохранительный 33

При коротких замыканиях внутри трансформатора, под действием возникающей при этом электрической дуги, происходит разложение масла и бурное выделение газов. Внутри бака трансформатора резко возрастает давление, которое может привести к значительным механическим повреждениям конструкции. Как только давление в баке достигает определенного значения, клапан открывается, давление в баке сбрасывается и на электрических контактах формируется сигнал в канале 19, который далее поступает через нагрузочные резисторы R1...Rm и канал 14 ₂ на входы устройства обработки 3₂ . Схема (рис.14.5) и описание работы клапана предохранительного приведено в ["Силовые трансформаторы". Справочная книга / под ред. С.Д.Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004 - Стр.269-270].

Устройство регулирования под нагрузкой 31

Для исключения ущерба, возникающего в промышленности, при отклонении напряжения от заданных параметров, в трансформаторе используется оперативное регулирование напряжения (изменение коэффициента трансформации). Устройство регулирования под нагрузкой обеспечивает возможность оперативного изменения напряжения без перерыва питания потребителя, в частности

обеспечивается встречное регулирование напряжения в энергосистеме. Управление устройством регулирования под нагрузкой осуществляется устройствами обработки 3₂ и 3₃ по каналам 14₂ и 14₃ через реле К3, К4. Диоды Д используются при импульсной сигнализации. Схема (рис.3.3, 3.5, 3.8-3.11) и описание работы устройства регулирования под нагрузкой приведено в ["Силовые трансформаторы". Справочная книга/ под ред. С.Д.Лизунова, А.К.Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004 - Стр.57-70].

Выключатель трансформатора 1.

1. Включение выключателя трансформатора.

Оперативное включение выключателя осуществляется по цепи 17 от внешнего ключа управления (цепям телеуправления) или 16 от внешней защиты (на рисунках не показаны) через реле К5 или К1, К6 или К2 (фиг.4). Своими контактами реле выдает сигналы по каналу 19 на электромагнит 30 выключателя.

Оперативное включение выключателя с контролем наличия напряжения на линиях 10₁ (до выключателя) и 10₂ (после трансформатора), осуществляется устройством обработки 3₁ по каналу 14 ₁ через реле K1, K2. Своими контактами - реле выдают сигналы на электромагнит 30 включения выключателя.

2. Отключение выключателя трансформатора.

Оперативное отключение выключателя осуществляется по цепи 17 от внешнего ключа управления (цепям телеуправления) или 16 от внешней защиты (на рисунках не показаны) через реле К5 или K1, К6 или K2 (фиг.4). Своими контактами - реле выдает сигналы по каналу 19 на оба электромагнита 28 и 29 отключения выключателя.

Таким образом, многопроцессорная система имеет расширенные функциональные и аппаратные возможности т.к. обеспечивает:

- выполнение функций релейной защиты, автоматики и управления высоковольтным трансформатором;

- непосредственное регулирование под нагрузкой, что обеспечивает возможность оперативного изменения напряжения без перерыва питания потребителя;

- непосредственное управление высоковольтным трансформатором;

- автоматизацию процесса сбора информации о состоянии вводов, присоединений и выключателей объекта контроля и управления;

- автоматизацию сбора, регистрации, анализа и хранения информации об аварийных процессах и событиях и т.д. с сохранением всех функций прототипа.

Многопроцессорная система, содержащая N устройств обработки (N=3) и регистратор аварийных процессов и событий, причем каждое устройство обработки содержит блок обработки и два узла сопряжения с магистралью, а регистратор аварийных процессов и событий содержит узел регистрации и два узла сопряжения с магистралью, причем информационные входы-выходы второй группы каждого N-го устройства обработки и регистратора аварийных процессов и событий являются первой группой входов-выходов системы, вторая группа входов-выходов которой является группой входов-выходов N-х блоков обработки, первая и вторая группа входов которых и узла регистрации является первой и второй группой входов системы, отличающаяся тем, что в нее введен узел коммутации, причем узел коммутации содержит n диодов, шесть реле и m нагрузочных резисторов, причем информационные входы-выходы первой группы каждого N-го устройства обработки и регистратора аварийных процессов и событий являются третьей группой входов-выходов системы, группа выходов которой является группой выходов узла коммутации, первая, вторая и третья группа входов-выходов которого является группой входов-выходов первого, второго и третьего блока обработки, соответственно, третья и четвертая группа входов системы является первой и второй группой входов узла коммутации, четвертая группа входов-выходов которого является четвертой группой входов-выходов системы.