Микропроцессорные (цифровые) релейные защиты

Общие сведения.

Эффективность цифровых устройств, используемых в схемах защиты и автоматики, может быть повышена, если сделать их программируемыми, т.е. способными изменять законы их функционирования при неизменной структуре технических средств. Высшим уровнем программируемых цифровых элементов являются микропроцессорные системы (МПС), обрабатывающие вводимые в них данные и управляющие внешними устройствами.

Уже в конце 1960-х годов на базе средств вычислительной техники (ЭВМ) были разработаны первые варианты программных защит, т.е. РЗ, алгоритм функционирования которых задавался программой, хранимой в запоминающем устройстве ЭВМ. В нашей стране подобные разработки проводились во ВНИИЭ, МЭИ, Коми научном центре и Энергосетьпроекте.

По мере совершенствования технологии и схемотехники появилась возможность создания больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем, которые содержат 100 тысяч и более электронных элементов на одном полупроводниковом кристалле.

Функционирование измерительной и логической частей РЗ может быть представлено в математическом виде системой аналитических соотношений, описывающих процесс принятия решения о срабатывании или несрабатывании тех или иных входящих в них органов РЗ и являющихся таким образом их алгоритмом функционирования. Это позволяет рассматривать органы РЗ как систему арифметико-логического преобразования информации, содержащейся в воздействующих (входных и вспомогательных) величинах, которая может быть реализована в цифровом виде. При использовании МП алгоритм функционирования РЗ задается программой, хранящейся в памяти микропроцессора. Для изменения алгоритма достаточно изменить программу, не меняя элементы РЗ и связи между ними. Выполняемые таким образом РЗ называются программными, или микропроцессорными.

Большинство фирм производителей оборудования релейной защиты и автоматики (РЗА) прекращают выпуск электромеханических реле и устройств и переходят на цифровую элементную базу. Переход на новую элементную базу не приводит к изменению принципов релейной защиты и электроавтоматики, а только расширяет ее функциональные возможности, упрощает эксплуатацию и снижает ее стоимость. Именно по этим причинам микропроцессорные устройства очень быстро занимают место устаревших электромеханических и микроэлектронных реле.

Основные характеристики микропроцессорных защит значительно выше, чем у микроэлектронных, а тем более электромеханических. Так, мощность, потребляемая от измерительных трансформаторов тока и напряжения, находится на уровне 0,1-0,5 ВА, аппаратная погрешность – в пределах 2-5%, коэффициент возврата измерительных органов составляет 0,96-0,97.

Мировыми лидерами в производстве устройств РЗА являются европейские концерны ALSTOM, ABB и SIEMENS. Общей для них является тенденция все большего перехода на цифровую технику. Цифровые защиты, выпускаемые этими фирмами, имеют высокую стои-мость, которая, впрочем, окупается их высокими техническими характеристиками и много-функциональностью. Переход на цифровые способы обработки информации в устройствах РЗА не привел к появлению каких-либо новых принципов построения защиты электроустановок, но существенно улучшил эксплуатационные качества реле.

Современные цифровые устройства РЗА интегрировали в рамках единого информационного комплекса функции релейной защиты, измерения, регулирования и управления электроустановкой. Такие устройства в структуре автоматизированной системы управления техноло-гическим процессом энергетического объекта являются оконечными устройствами сбора информации. В интегрированных цифровых комплексах РЗА появляется возможность перехода к новым нетрадиционным измерительным преобразователям тока и напряжения – на основе оптоэлектронных датчиков, трансформаторов без ферромагнитных сердечников и т. д. Эти преобразователи технологичнее при производстве, обладают очень высокими метрологическими характеристиками, но имеют малую выходную мощность и непригодны для работы с традиционной аппаратурой.

 

Функциональная схема РЗ на микропроцессорах.

Упрощенная функциональная блочная схема РЗ, построенная на МПС, приведена на рис. 17.1. Входным элементом, как и у всех полупроводниковых РЗ, являются промежуточные трансформаторы напряжения и тока, ПТН и ПТТ, которые являются элементами воспринимающей части измерительных органов РЗ.

Выходной сигнал с промежуточных трансформаторов поступает на частотные фильтры ЧФ, которые пропускают составляющие тока и напряжения 50 Гц и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами, искажающими синусоиду тока и напряжения.

Аналоговые сигналы, полученные от измерительных трансформаторов в виде синусоидальных токов и напряжений, после преобразования в промежуточных трансформаторах ПТН и ПТТ и частотных фильтрах ЧФ необходимо превратить в дискретные, поскольку их обработка производится в МПС, построенных на цифровых микросхемах. Поэтому аналоговый выходной сигнал частотных фильтров ЧФ подается в устройство АЦП, предусмотренное для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую).

В АЦП измерение значения синусоидального тока (напряжения) происходит в определенные моменты времени t ₁, t ₂ … t _n с интервалом времени Т (рис. 17.2, а). В эти моменты времени фиксируются соответствующие им мгновенные значения, которые используются как дискретные значения синусоидального тока. Полученные таким образом дискретные сигналы через интервалы времени Т передаются последовательно в моменты времени t ₁, t ₂ … t _n на ввод МПС в виде двоичного цифрового кода (1, когда есть импульс тока и 0, когда сигнал отсутствует). Эта операция часто называется выборкой. Очень важно, чтобы значения измеряемых дискретных значений тока и напряжения точно соответствовали действительным значениям синусоид этих величин. Кроме дискретизации по времени предусмотрена дискретизация по значению входной величины (тока или напряжения), как показано на рис. 17.2,б. Момент выборки сигналов определяется мультивибратором, непрерывно с интервалом Т генерирующим тактовые импульсы.

Для получения с помощью дискретных сигналов, возможно большей точности представления действительной синусоиды, интервал Т нужно выбирать как можно меньше. Однако следует иметь в виду, что при последовательной передаче сигналов это замедляет процесс обработки и ухудшает быстродействие РЗ.

Сигнал с выхода АЦП поступает в устройство обработки информации, каким является МПС. Основным элементом цифровой РЗ является МП, схема которого позволяет использовать его в качестве вычислительного устройства, производящего арифметические и логические операции, необходимые для выполнения им функций РЗ, представленных в виде алгоритмов действия ее измерительных и логических органов.

Микропроцессор (рис. 17.3) состоит из трех основных частей:

- арифметико-логического устройства АЛУ, реализующего арифметические операции (сложение, вычитание и др.), логические операции (И, ИЛИ, НЕ);

- сверхоперативного запоминающего устройства СОЗУ, состоящего из набора регистров, обеспечивающих промежуточное хранение данных до завершения операций, проводимых в МП;

- устройства управления УУ, осуществляющего управление работой МП (АЛУ и СОЗУ) по заданной программе.

Элементы МП связаны между собой информационными шинами, представляющими из себя группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком (шины данных, адресов и управления). Для выполнения функций какой-либо РЗ, МП дополняется внешними устройствами памяти, образуя микропроцессорную систему (МПС). Структура МПС приведена на рис. 17.4.

С выхода МПС (см. рис. 17.1) цифровой сигнал поступает на цифроаналоговый преобразователь ЦАП, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый, поступающий на выходное промежуточное реле, действующее на отключение выключателя. Одновременно приводится в действие устройство сигнализации СУ, фиксирующее срабатывание РЗ, и передается соответствующая аварийная информация для записи в регистраторе аварийных событий (РАС). одновременно поступает информация на персональную ЭВМ (ПЭВМ), посредством которой осуществляется связь человек-машина.

 

Микропроцессорная система.

На рис. 17.4 приведена упрощенная структурная схема МП-системы, выполняющей функции РЗ. Система состоит из двух частей: МП и внешних устройств. К внешним устройствам МПС относятся:

- устройства памяти – оперативное запоминающее устройство ОЗУ и постоянное запоминающее устройство ПЗУ;

- устройства ввода и вывода аналоговой УАВВ и дискретной УДВВ информации;

- средства общения человека с МПС – минидисплей и клавиатура для ручного ввода управляющих команд.

Все внешние устройства связаны друг с другом и с МП общими шинами: данных. адресов и управления. Соединение внешней части указанных шин с шинами МП осуществляется через специальные буферные устройства.

Как уже отмечалось, главным элементом МПС является сам микропроцессор (или микропроцессоры), но поскольку его структура была кратко пояснена выше, то здесь рассматриваются только виды регистров и их назначение.

 

Важной частью МПС являются запоминающие устройства: ПЗУ и ОЗУ. Постоянное запоминающее устройство – ПЗУ служит для хранения управляющей программы, в которой записаны последовательные команды, согласно которым должно действовать устройство управления микропроцессора – УУ, и второй основной программы, определяющей функционирование устройства РЗ. Эти программы остаются неизменными, пока остаются неизменными функции данной РЗ. В связи с этим записанная в ПЗУ информация должна сохраняться даже при исчезновении электропитания.

Оперативное запоминающее устройство – ОЗУ необходимо для хранения данных, поступающих для обработки и выборки из основной программы, хранящейся в ПЗУ.

Помимо этих устройств имеется сверхоперативная память – запоминающие устройства в МП в виде регистров общего назначения (РОН): они подразделяются на регистры команд и регистры накопителей (аккумуляторов). Регистр команд хранит ту команду, которую МП должен выполнить вслед за текущей. Аккумулятор хранит данные непосредственно перед входом в МП и на выходе. Регистры ускоряют поступление данных для обработки, т.е. уменьшают общее время действия МП-системы.

Как уже отмечалось выше, ЭВМ осуществляют с введенными в них данными операции сложения и вычитания. Вместе с тем в современных МП универсального назначения операции умножения и деления выполнены аппаратно, т.е. в набор команд самого процессора входят и команды mul (умножения) и div (деления), благодаря чему отпадает необходимость в выполнении дополнительных операций и повышается надежность функционирования МП.

Для преобразования аналоговых значений токов и напряжений в цифровую форму и обратно в МПС предусмотрено устройство аналогового ввода-вывода информации (УАВВ), принцип действия которого рассмотрен выше. Типовое УАВВ обеспечивает ввод в МПС до 16 аналоговых сигналов и вывод одного-двух сигналов в аналоговой форме. Для этого УАВВ содержит один аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и один-два цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), а также коммутатор для ввода с помощью одного АЦП до 16 аналоговых сигналов и вывод одного-двух сигналов в аналоговой форме.

Для обеспечения одновременности всех выборок на всех входах коммутатора могут быть предусмотрены устройства выборки-хранения данных, которые по команде устройства управления УАВВ обеспечивают одновременное считывание мгновенных параметров, поступающих от всех каналов ввода аналоговых данных.

Микропроцессорная система должна также содержать устройство дискретного ввода-вывода УДВВ для выдачи команды на отключение выключателя и приема сигналов от других устройств РЗ.

Для ввода уставок РЗ и осуществления контроля за ними в МП-системе предусмотрена упрощенная клавиатура, содержащая небольшое число цифровых и буквенных клавиш, а также минидисплей, рассчитанный на несколько строк, и порядка 20 знакомест в строке. С помощью дисплея осуществляется визуальный контроль при вводе уставок РЗ, а также оцениваются входные и выходные данные в процессе функционирования системы.

Перечисленные внешние устройства имеют связи со всеми шинами МП-системы, которая содержит часто средства для связи с персональной ЭВМ и с принтером для вывода на печать протокола работы РЗ или результатов ее периодической проверки (на схеме не показаны). На рис. 17.4 не показано также перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ), которое используется для возможности оперативной модификации программ. Кроме того, для оперативного изменения уставок РЗ МП-система оснащена энергонезависимым ОЗУ.

Группа элементов памяти каждого вида памяти составляет ячейку или слово памяти, содержащее число элементов, кратное 8 (8, 16, 32 и т.д.). Слово из восьми двоичных разрядов называется б а й т о м. В зависимости от размера ячейки памяти, МПС называют 8, 16 или 32-битными или 1 – 4 байтными. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. совокупность нулей и единиц, находящихся в элементах памяти, представляет собой содержимое ячейки памяти.

Синхронизация работы всех устройств, входящих в МПС, регулируется генератором тактовых импульсов (ГТИ), который формирует импульсы, обеспечивающие необходимую последовательность процессов. Генератор тактовых импульсов непрерывно вырабатывает прямоугольные импульсы, подаваемые через Ф1 и Ф2 с определенным периодом (см. рис. 17.4).

 

Программное обеспечение микропроцессорной системы.

Для микропроцессорной (цифровой) РЗ первостепенное значение имеет программа ее функционирования. Эта программа разрабатывается на основе алгоритмов действия данного вида РЗ и ее отдельных частей. Алгоритмы измерительных органов (ИО) микропроцессорных устройств РЗ существенно отличаются от алгоритмов аналоговых устройств РЗ на электромеханической и полупроводниковой элементных базах. Если в аналоговых устройствах алгоритмы ИО основаны на том, что фиксируется факт нахождения измеряемой величины в зоне срабатывания РЗ, независимо от значения этой величины (например, ток больше тока срабатывания, напряжение меньше напряжения срабатывания и т.д.), то в микропроцессорном устройстве сначала вычисляется значение измеряемой величины, а затем уже происходит сравнение его с уставкой или характеристикой срабатывания устройства, имеющейся в памяти МП-системы.

После подачи питания на МП-систему в регистр адреса МП загружается первая команда, по которой управление передается управляющей команде. Последняя сначала тестирует МП, память, внешние устройства, а затем переписывает основную программу в ОЗУ и передает ей управление. После этого начинается непрерывное выполнение функций РЗ или работа основной программы в режиме реального времени (РВ). Основная программа в режиме РВ производит непрерывно следующие действия:

- вводит в оперативную память МП-системы мгновенные значения входных токов и напряжений, преобразованные в цифровую форму с помощью АЦП;

- производит арифметические и логические операции над введенными в ОЗУ числами в соответствии с принятыми алгоритмами РЗ;

- осуществляет сравнение преобразованных чисел с уставкой пускового органа (ПО), если он предусмотрен; если сравнение показывает, что ПО сработал, программа переходит к выполнению алгоритма измерительного органа, иначе говоря, все действия программы начинаются сначала, и она производит необходимые арифметические и логические операции в соответствии с алгоритмом;

- в программе ИО также производятся необходимые и логические операции в соответствии с его алгоритмом;

- осуществляется сравнение преобразованных чисел с уставкой ИО;

- если сравнение показывает, что ИО сработал, программа запускает орган выдержки времени (ОВВ), если он предусмотрен, или выдает с помощью устройства УДВВ сигнал срабатывания РЗ; иначе все действия программы начинаются сначала;

- после запуска ОВВ проверяется, не вернулся ли ПО. Если ПО вернулся, накопленная выдержка времени сбрасывается, и все действия программы начинаются сначала;

- осуществляется сравнение выдержки времени с уставкой, и, если ПО и ИО не вернулись, а истекшее время превышает или равно уставке, программа формирует сигнал срабатывания РЗ, как указано выше.

Перечисленные действия выполняются циклически непрерывно до тех пор, пока не возникает необходимость либо отключить РЗ (или перевести на сигнал), либо изменить ее уставки. В этом случае нажатием комбинации клавиш на клавиатуре МП-система переводится в один из этих режимов. Если, например, требуется изменение уставок, то нажатие определенной комбинации клавиш с помощью управляющей программы вызывает программу ввода (модификации) уставок, которая с помощью дисплея контролирует правильность вводимых уставок, а затем и правильность введенных данных.

Если происходит сбой системы по любой причине (кратковременное исчезновение напряжения питания, «зацикливание» программы и т.п.), то производится рестарт (перезапуск) системы, т.е. автоматический перевод МП на выполнение программы с нулевого адреса, т.е. выполнение всех начальных операций, которые были описаны выше (тестирование всех устройств МП-системы, перезапись основной программы в ОЗУ и т.д.).

В отличие от схем РЗ на электромеханической или микроэлектронной элементной базе в МП-системах информация о токах и напряжениях защищаемого присоединения должна вводиться в виде последовательности чисел (выборок), соответствующих мгновенным значениям токов и напряжений в моменты выборок.

Достоинства микропроцессорных РЗ.

Микропроцессорные РЗ имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными РЗ, выполненными на электромеханических и полупроводниковых реле:

- надежность, быстродействие, непрерывные автоматические контроль исправности и дмагностика;

- возможность осциллографирования и запоминания параметров аварийных процессов;

- возможность реализации более сложных и совершенных алгоритмов управления, удобство настройки, наладки и эксплуатации;

- интеграция (объединение) систем оперативного и автоматического управления, позволяющая создать терминал в пределах одного защищаемого объекта;

- большая помехозащищенность, чем РЗ на аналоговых элементах. Однако и здесь необходимо применять рекомендованные средства защиты от внешних электромагнитных и электростатических помех.

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ

 

1. Методические рекомендации по самостоятельной подготовке теоретического материала

 

№ раз-дела	Раздел программы	Перечень вопросов к разделам программы
1.	Введение	1. Что подразумевается под термином «релейная защита»? 2. Основные требования, предъявляемые к релейной защите? 3. Элементные базы, используемые в практике современного релестроения?
2.	Назначение РЗА систем электроснабжения	1. Основное и дополнительное назначение релейной защиты? 2. Какие бывают реле защиты по способу включения, по исполнению, по назначению, по способу воздействия на выключатель? 3. Основные виды релейной защиты и автоматики?
3.	Виды повреждений и ненормальных режимов работы линий	1. Чем определяется необходимость мгновенного отключения КЗ на линиях? 2. Какой вид КЗ и в какой точке сети является наиболее опасным? 3. От чего зависит значение остаточного напряжения на шинах подстанции при КЗ на отходящей линии? 4. Составляющие каких последовательностей токов и напряжений возникают при трех-, двух-, однофазных замыканиях? 5. От чего зависит время отключения на линии? 6. Как влияет понижение напряжения при КЗ на работу потребителей?
4.	Источники оперативного тока	1. Назначение и виды источников оперативного тока? 2. Главное требование, которому должен отвечать источник оперативного тока? 3. Какой источник оперативного тока является наиболее надежным?
5.	Принципы построения измерительных и логических органов релейной защиты	1. Какие реле характеризуются более мощными контактами – основные или вспомогательные? Почему? 2. Каковы функции промежуточных реле? 3. Чем обеспечивается ограниченно-зависимая характеристика индукционного реле тока? 4. Какая функциональная часть измерительных органов воздействует на управляемую цепь?
6.	Измерительные трансформаторы тока и напряжения в устройствах релейной защиты	1. Почему к трансформаторам тока предъявляются высокие требования со стороны РЗ? 2. Каково назначение четвертого обратного (нулевого) провода в схеме полной звезды? 3. В каких случаях применяются схемы включения реле на разность токов двух фаз? 4. Доказать, что схема включения реле на сумму токов трех фаз представляет собой фильтр токов нулевой последовательности. 5. Назначение заземлений нейтралей первичной и вторичной обмоток у трансформаторов напряжения с соединением обмоток звезда-звезда? 6. При каких повреждениях на зажимах разомкнутого треугольника появляется напряжение, превышающее U нб?
7.	Токовые защиты линий	1. Чем определяется значение Δt ступени селективности? 2. В чем особенность реле, используемых в схемах МТЗ на переменном оперативном токе? 3. Основное требование, предъявляемое к трансформаторам тока, питающим оперативные цепи? 4. Где расположена и чем обусловлена «мертвая зона» реле направления мощности? 5. Почему токовая отсечка должна быть рассчитана по максимальному режиму? 6. В чем особенность расчета токовой отсечки на линиях с двусторонним питанием? 7. Почему токовая направленная защита не может применяться в сложных сетях с несколькими источниками питания? 8. Почему дифференциальная защита выполняется без выдержки времени? 9. Чем опасен обрыв соединительного провода в плече дифференциальной защиты? 10. Какой принцип действия положен в основу дистанционной защиты?
8.	Релейная защита трансформаторов	1. От каких видов повреждений и ненормальных режимов следует предусматривать защиты трансформатора? 2. Как выполняются защиты от внешних КЗ на понижающих трансформаторах? 3. Принцип работы газовой защиты. 4. Особенности дифференциальной защиты трансформаторов. 5. При каких замыканиях в трансформаторе не действует токовая отсечка? Почему?
9.	Релейная защита и автоматика электродвигателей	1. Особенность выполнения защиты ответственных асинхронных электродвигателей СН электростанций. 2. Почему защита минимального напряжения не может ограничиться применением только одного реле напряжения? 3. В чем особенность защиты синхронных электродвигателей? 4. Как производится выбор уставок защиты асинхронных электродвигателей от КЗ? 5. Чем отличаются режимы пуска и самозапуска электродвигателей?
10.	Микропроцессорные (цифровые) релейные защиты	1. В чем принципиальное отличие микропроцессорных РЗ по сравнению с традиционными РЗ на электромеханпических и статических реле? 2. Какие виды оперативной памяти используются в составе релейного микропроцессорного комплекса? Каково назначение разных видов памяти? 3. Как реализуются в терминалах РЗ функции анализа аварийной информации? 4. Что такое микропроцессорный терминал РЗ?
11.	Автоматическое повторное включение линий электропередач	1. Что такое успешное и неуспешное АПВ? 2. Виды АПВ. 3. Основные требования, предъявляемые к АПВ. 4. Назначение ускорения действия защиты до АПВ, после АПВ?
12.	Автоматическое включение резервного питания	1. Характерный признак местных АВР. 2. Что называют сетевым АВР? 3. Что определяют при расчете и выборе уставок АВР?

 

 

Тестовые задания по дисциплине «Релейная защита»