Однопроцессорное информационно-управляющее устройство релейной защиты и автоматики
Полезная модель относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты. Цель - расширение функциональных возможностей, уменьшение погрешности динамического запаздывания и расширение динамического диапазона аналоговых сигналов в сторону малых значений, также снижение стоимости и уменьшение габаритных размеров и массы устройств релейной защиты. Однопроцессорное информационно-управляющее устройство релейной защиты и автоматики содержит 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, два дополнительных коммутатора и четыре промежуточных усилителя сигналов. Предложенная полезная модель необходима для выполнения алгоритмов релейной защиты, автоматики, измерения, управления и контроля присоединений и предназначена для установки в ячейках КРУ - вводных, секционных, фидерных выключателей, трансформаторов и электродвигателей напряжением от 0,4 до 220 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 ограниченные функциональные возможности, значительную погрешность динамического запаздывания, а также большие габариты.
Известна микропроцессорная система защиты [Н.Н.Чернобровов, В.А.Семенов "Релейная защита энергетических систем" 1998 г. стр.784 рис.22.5] [2] содержащая трансформаторный блок, частотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь и центральный процессорный блок выполняет функции защиты объекта, но обладает значительными габаритами из-за применения большого количества процессоров цифровых сигналов и погрешностью, вызванной динамическим запаздыванием при обработке входных сигналов.
Наиболее близким техническим решением является 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 релейной защиты.
Прототип также имеет большие габариты из-за применения нескольких микропроцессоров, значительную погрешность, вызванную динамическим запаздыванием при обработке входных сигналов, недостаточный динамический диапазон, большую погрешность измерения при малых значениях входных аналоговых сигналов.
Цель - расширение функциональных возможностей, уменьшение погрешности динамического запаздывания и расширение динамического диапазона аналоговых сигналов в сторону малых значений, а также снижение стоимости и уменьшение габаритных размеров и массы.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами релейной защиты и автоматики, содержащем блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, применен недорогой микроконтроллер со встроенным 10-ти разрядным аналого-цифровым преобразователем и основным коммутатором на входе, а между входами основного коммутатора аналого-цифрового преобразователя и выходами блоков частотных фильтров введены дополнительные коммутаторы и промежуточные усилители сигналов, причем выходы каждого из дополнительных коммутаторов непосредственно и через промежуточные усилители подсоединены к попарно соединенными входами основного коммутатора. При этом первый вход основного коммутатора соединен со входом N основного коммутатора, второй вход - со входом N-2, третий вход - со входом N-3 и т.д.
Выходы каждого блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов через блоки частотных фильтров соединены со входами дополнительных коммутаторов.
На фиг1 приведена структурная схема однопроцессорного информационно-управляющего устройства релейной защиты и автоматики.
На фиг.1 цифрами обозначены:
1 - группа токовых сигналов защищаемого объекта;
2 - группа сигналов напряжения защищаемого объекта;
3 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока;
4, 6 - группы сигналов контроля и диагностики;
5 - формирователь сигналов контроля и диагностики;
7 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения;
8 - группа сигналов управления для формирователя сигналов контроля и диагностики.
9, 11 - группы выходных сигналов с блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения;
10 - блок частотных фильтров;
12, 13 - группа сигналов блока частотных фильтров;
14 - первый коммутатор сигналов, поступающих с выхода блока частотных фильтров;
15 - второй коммутатор сигналов, поступающих с выхода блока частотных фильтров;
16, 17 - выходы первого и второго дополнительных коммутаторов, которые могут быть реализованы на микросхеме МАХ4781;
18 - группа сигналов, управляющих работой дополнительных коммутаторов;
19 - группа сигналов, управляющая работой операционных усилителей с переменным коэффициентом усиления
20, 22 - операционные усилители с переменным коэффициентом усиления, в качестве которых можно использовать микросхему AD8602AR
21, 23 - дополнительные операционные усилители с постоянным коэффициентом усиления, в качестве которых можно использовать микросхему AD8602AR;
25 - - сетевой адаптер с микроконтроллером для реализации стандартного протокола МЭК 61850
26 - микроконтроллерная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты со встроенным коммутатором 24 и аналого-цифровым преобразователем, реализация которой может быть осуществлена на контроллере АТ91SAM7Х512;
27 - группа дискретных входов-выходов для связи с внешними устройствами
28 - группа входов-выходов для связи с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ);
29 - группа входов - выходов для связи с локальной сетью Ethernet.
Устройство работает следующим образом:
Токовые сигналы 1 с защищаемого объекта поступают на блок 3 гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов, а сигналы напряжений с защищаемого объекта поступают на блок 7 гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов. Выходные сигналы 11, 12 блоков 3, 7 поступают на входы блока частотных аналоговых фильтров 10.
Фильтры нижних частот пропускают составляющие тока и напряжения определенной частоты и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами, искажающими синусоиду тока и напряжения.
Далее группа аналоговых сигналов 12 поступает на входы дополнительного коммутатора 14, а группа аналоговых сигналов 13 на входы дополнительного коммутатора 15.
Работой коммутаторов 14 и 15 управляет микроконтроллер 26, формируя группу сигналов 18, под воздействием которых к выходу коммутатора подключается сначала первый, затем второй и т.д. вплоть по последнего, N-го входного сигнала токов и напряжений.
Сигналы 16 и 17 с выходов коммутаторов поступают на промежуточные усилители с переменным коэффициентом усиления 20 и 22. Коэффициент усиления изменяется группой сигналов 18, поступающих от микроконтроллера 26 со встроенным аналого-цифровым преобразователем 24.
Одновременно сигналы с выходов усилителей с переменным коэффициентом усиления 20 и 22 поступают на входы усилителей с усилителей 21 и 23 с постоянным коэффициентом усиления и на половину попарно объединенных входов основного коммутатора 24.
Сигналы с выходов дополнительных усилителей 21 и 23 поступают на вторую половину попарно объединенных входов основного коммутатора 24.
При этом входы коммутатора соединены попарно, т.е. первый вход основного коммутатора соединен со входом N (последним) основного коммутатора, второй вход - со входом N-2, третий вход - со входом N-3 и т.д.
Таким образом, на вход основного коммутатора поочередно поступает N/2 сигналов, причем каждый сигнал одновременно поступает на два разных входа коммутатора, а на выход коммутатора сигнал подключается дважды, через некоторый промежуток времени, что позволяет организовать квазиодномоментный опрос N/2 сигналов, поступающих на вход основного коммутатора 20 и уменьшить погрешность, вызванную динамическим запаздыванием.
Полученные в разные моменты времени значения сигналов преобразуются в аналого-цифровом преобразователе, а в дальнейшем в процессоре используется сумма полученных в разные моменты значений сигналов.
Для повышения точности измерения сигналов в начальной части диапазона используется разделение исходных сигналов, полученных на выходе коммутаторов 14 и 15 на два канала - «грубый» (сигналы с выходов усилителей 20 и 22 с переменным коэффициентом усиления) и «точный» (сигналы, полученные с выходов промежуточных усилителей 21 и 23 с постоянным коэффициентом усиления).
Значения рабочих диапазонов «грубого» и «точного» каналов для сохранения «know how» в описании не приводятся.
Для расчета значений контролируемых параметров защищаемого объекта сигналы, поступающие от «точных» каналов используется в том случае, если они не превышают заранее установленного значения.
При превышении заранее установленного значения контролируемого параметра в «точных» каналах 19 для расчета используются сигналы, поступающие по «грубым» каналам.
Работа узла контроля и диагностики входных цепей (вторичных обмоток промежуточных трансформаторов тока и напряжения), объединяющих группы сигналов контроля и диагностики 4, 6, формирователь сигналов контроля и диагностики 5, группу сигналов управления для формирователя сигналов контроля и диагностики 8, описана в патенте «Микропроцессорная система защиты» [Патент RU 2173924 Н02Н 7/26 Б.И. 26 от 20.09.2001].
Однопроцессорное информционно-управляющее устройство релейной защиты и автоматики, содержащее блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, микропроцессорную систему со встроенным аналого-цифровым преобразователем для управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, причем группы выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения соединены соответственно с первой и второй группами входов блока частотных фильтров, группа выходов которого соединена с группой входов встроенного в микропроцессорную систему аналого-цифрового преобразователя, группа входов-выходов которого соединена с первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, отличающаяся тем, что в него введены два дополнительных коммутатора и четыре промежуточных усилителя сигналов, сетевой адаптер, причем выходы каждого блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов соединены со входами каждого из дополнительных коммутаторов, а выходы каждого из дополнительных коммутаторов непосредственно и через промежуточные усилители с изменяемым и постоянным коэффициентом услинения подсоединены к попарно соединенным входам основного коммутатора, при этом первый вход основного коммутатора соединен со входом N основного коммутатора, второй вход - со входом N-2, третий вход - со входом N-3 и т.д.
