Цифровое устройство релейной защиты с дивариантным встраиваемым пультом управления

Изобретение относится к электротехнике и микропроцессорной технике и может быть использовано в технике релейной защиты объектов.

Цель изобретения - уменьшение габаритов и расширение функциональных возможностей устройства за счет исключения блока частотных фильтров и аналого-цифрового преобразователя, введения формирователя аналоговых сигналов, дивариантного пульта управления и лицевой панели с клавиатурой и индикацией.

Устройство 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, пульт управления и лицевую панель с клавиатурой и индикацией. 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.

Устройство 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.

Изобретение 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.

Известное устройство - "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 устройство - "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], содержащее 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.

Цель изобретения - уменьшение габаритов и расширение функциональных возможностей устройства за счет введения формирователя аналоговых сигналов, дивариантного пульта управления и лицевой панели, содержащей клавиатуру и индикацию. Поставленная цель 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, 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, дивариантный пульт и лицевая панель, содержащая клавиатуру и индикацию, причем в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, введен микроконтроллер, 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, четвертая и пятая группа входов-выходов которой соединена, сооответственно, с дивариантным пультом и с лицевой панелью, 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 устройства;

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 варианта "С" 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 с дивариантным встраиваемым пультом управления.

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, 5 ₂ - варианты "С" и "Д" пульта управления;

6 - лицевая панель;

6₁ - клавиатура, например "М-Графика" или аналогичная;

6 ₂ - индикация;

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 RS-232;

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 (У ABB) и входы-выходы устройства дискретного ввода-вывода (УДВВ);

15 - группа входов- выходов для связи с пультом управления;

16 - группа входов- выходов для связи с лицевой панелью.

На фиг.2 обозначены:

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;

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

Д - сборка диодная типа BAV99 фирмы "PHI" или

аналогичная;

V₁ - напряжение 1,65 В;

V ₂ - напряжение 3,3 В.

На фиг.3 обозначены:

3_1.1...3_1.X - узлы формирования аналоговых сигналов по току;

3 _2.1...3_2.Y - узлы формирования аналоговых сигналов по напряжению;

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

R₃ - резисторы типа RC1206JR07 фирмы "Yageo" или аналогичные.

На фиг.4 обозначены:

18 - источник питания типа TL431ID фирмы "ONS" или аналогичный;

19 - регистр последовательного обмена типа MAX7315AUE фирмы "Maxim" или аналогичный;

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

V₃ - напряжение 5 В.

На фиг.5 обозначены:

20 - микроконтроллер типа AT91SAM7S256-AU-001 фирмы "Atmel" или аналогичный.

21, 22 - аналого-цифровой преобразователь, центральный процессор в составе микроконтроллера;

23 - драйвер для связи с ПЭВМ типа SP232EET фирмы "Sipex" или аналогичный (канал RS-232);

24 - драйвер для связи с АСУ типа SN65LBC184D фирмы "Texas Instruments" или аналогичный (канал RS-485);

25 - устройство дискретного ввода-вывода (УДВВ);

26 - устройство аналогового ввода-вывода (У ABB);

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 светодиодов и кнопок типа MAX7315AUE фирмы "Maxim" или аналогичные;

32 - последовательный канал SPI;

33 - последовательный канал I2C.

На фиг.6 обозначены:

34-прототип;

35 - заявляемое устройство с вариантами пульта;

35₁ - пульт варианта "С";

35₂ - пульт варианта "Д".

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.

Цифровое устройство релейной защиты содержит блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2, формирователь аналоговых сигналов 3, микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 4, дивариантный пульт управления 5, с вариантами 5 ₁, 5₂, и лицевую панель 6, с клавиатурой 6₁ и индикацией 6₂ . 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. 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, четвертая 15 и пятая 16 группы входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с

алгоритмами защиты 4 соединены, соответственно, с дивариантным пультом управления 5 и лицевой панелью 6.

Цифровое устройство релейной защиты работает следующим образом: сигналы от первичных трансформаторов тока 7 и напряжения 8 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 17, диодных сборках Д, резисторах R служат для предварительного масштабирования сигналов промежуточных трансформаторов. С выходов усилителей 17 сигналы поступают на входы формирователя аналоговых сигналов 3, формирователи сигналов 3_1.1 ...3_1.X и 3_2.1...3 _2.Y 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 6, через регистры 30 и 31, по каналам 15 и 16, 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.

Цифровое устройство 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 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 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 токовая отсечка.

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.

Функции сигнализации, выполняемые устройством:

- срабатывание защит и автоматики;

- аварийная сигнализация;

- вызывная сигнализация;

- обобщенная сигнализация.

Функции измерения параметров сети, выполняемые устройством:

- измерение действующих значений токов и напряжений;

- измерение действующих значений тока 3I₀ ;

- вычисление фазовых сдвигов между основными гармониками тока 3I₀ и напряжения 3U ₀, фазными токами I_A, I _C и линейными напряжениями U_BC, U _AB соответственно;

- вычисление токов и напряжений прямой и обратной последовательности;

- вычисление тока 3I₀ и напряжения 3U₀ по фазным токам и напряжениям;

- измерение частоты;

- вычисление коэффициента мощности cos;

- вычисление активной, реактивной и полной мощности;

- максиметр измеряемых величин.

Встроенный дивариантный пульт управления имеет два исполнения:

- для индикаторной сигнализации (пульт "С");

- для настройки устройства и чтения информации без применения ПЭВМ (пульт "Д").

Пульт "С" содержит 16 светодиодов. Функция каждого из них может быть программно назначена пользователем с помощью соответствующего программного обеспечения.

Пульт "Д" содержит графический дисплей с разрешением 128×64 для отображения меню и шесть кнопок для навигации по меню, просмотра, ввода или сброса информации.

Таким образом, введение в устройство формирователя аналоговых сигналов, дивариантного пульта и лицевой панели, а в микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты микроконтроллера, второго регистра и второго драйвера -

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 большой срок службы, решая проблему морального старения устройства.

Исключение из устройства, по сравнению с прототипом, аналого-цифрового преобразователя, блока частотных фильтров и приемо-передатчика привело к уменьшению габаритов устройства в 2 раза (см. рисунок 6).

Цифровое устройство релейной защиты, содержащее блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения и 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, отличающееся тем, что содержит формирователь аналоговых сигналов, дивариантный пульт управления и лицевую панель, группа входов-выходов которой соединена с пятой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, группа входов которой соединена с группой выходов формирователя аналоговых сигналов, первая и вторая группы входов которого соединены с группами выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, соответственно, четвертая группа входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты соединена с группой входов-выходов пульта управления, причем микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, содержит микроконтроллер, 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.