Микропроцессорные устройства релейной защиты Микропроцессорные устройства релейной защиты
Основные характеристики
Отказ от электромеханических и статических реле, обладающих значительными
габаритами, позволил более компактно размещать оборудование на панелях РЗА. Такие конструкции стали занимать значительно меньше места. При этом управление посредством сенсорных кнопок и дисплея стало более наглядным и удобным.
• регистрация процессов аварийного состояния;
• опережение отключения синхронных потребителей при нарушениях устойчивости
системы;
• гибкая логика, возможность перепрограммирования;
• самодиагностика;
• новые возможности реализации и способы защит и др.
Кроме основной задачи РЗА — ликвидации аварийных режимов, новые технологии
позволяют реализовать ряд дополнительных функций.
Микропроцессорные системы релейной защиты точно работают по тем же принципам быстродействия, избирательности, чувствительности и надежности, что и обычные устройства РЗА.
Недостатки:
• высокая стоимость;
• низкая ремонтопригодность;
• повышенные требования к персоналу и пр.
Переход на новую элементную базу не приводит к изменению принципов релейной защиты и электроавтоматики, а только расширяет ее функциональные возможности, упрощает эксплуатацию и снижает стоимость. Именно по этим причинам микропроцессорные реле очень быстро занимают место устаревших электромеханических и микроэлектронных.
Основные характеристики микропроцессорных защит значительно выше 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.
Структурная
схема
Измерительная часть (ИЧ) осуществляет непрерывный контроль за состоянием защищаемого объекта и, реагируя на появление в нем повреждения (или не нормального режима), срабатывает и выдает дискретные сигналы на вход логической части, приводящие её в действие.
В качестве контролируемых величин (входных сигналов) служит в зависимости от вида РЗ ток или (и) напряжение защищаемого объекта, подводимые к ИЧ через измерительные трансформаторы тока ТА и напряжения TV.
Логическая часть воспринимает сигналы ИЧ, производит с помощью логических элементов (реле) по заданной программе логические операции и подает выходной сигнал о срабатывании РЗ на исполнительный орган (реле)
Центральным
узлом цифрового устройства является
микроЭВМ, которая через свои устройства
ввода-вывода обменивается информацией
с периферийными узлами. С помощью этих
дополнительных узлов осуществляется
сопряжение микроЭВМ (микропроцессора)
с внешней средой: датчиками исходной
информации, объектом управления,
оператором и т. д.
В реальном устройстве РЗ может использоваться несколько микропроцессоров (МП), каждый из которых будет занят решением отдельного фрагмента общей задачи с целью обеспечения высокого быстродействия.
Узлами цифрового устройства РЗА являются:
входные преобразователи U1—U4 –обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей от внутренних цепей устройства, осуществляют приведение контролируемых сигналов к единому виду (как правило, к напряжению) и нормированному уровню; здесь же осуществляется предварительная частотная фильтрация входных сигналов перед их аналого-цифровым преобразованием. Принимаются меры по защите внутренних элементов устройства от воздействия помех и перенапряжений. Различают преобразователи входных сигналов аналоговые (UЗ, U4) (стремятся выполнить так, чтобы обеспечить линейную (или нелинейную, но с известным законом) передачу контролируемого сигнала во всем диапазоне его изменения) и логические (U1, U2) (наоборот, стремятся сделать чувствительными только к узкой области диапазона возможного нахождения контролируемого сигнала).
выходные преобразователи сигналов KL1—KLj (судя по рисунку, это промежуточные реле) – выходные цепи устройства защиты выполняются так, чтобы обеспечить гальваническую развязку коммутируемых цепей как между собой, так и относительно внутренних цепей устройства РЗ. Выходные преобразователи должны обладать соответствующей коммутационной способностью и, в общем случае, обеспечивать видимый разрыв коммутируемой цепи.
тракт аналого-цифрового преобразования включает мультиплексор U6 и аналогоцифровой преобразователь (АЦП) — U7. Мультиплексор — это электронный коммутатор, поочередно подающий контролируемые сигналы на вход АЦП. Применение мультиплексора позволяет использовать один АЦП (как правило, дорогостоящий) для нескольких каналов. В АЦП осуществляется преобразование мгновенного значения входного сигнала в пропорциональное ему цифровое значение. Преобразования выполняются с заданной периодичностью. В последующем в МП по этим выборкам из входных сигналов рассчитываются интегральные параметры контролируемых сигналов — их амплитудные или действующие значения.
блок питания (БП) U5 — обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы рассматриваемого устройства, независимо от возможных изменений напряжения в питающей сети. Обычно это импульсный БП от сети постоянного тока. Имеются также блоки питания от цепей переменного тока и напряжения.
Дисплеи и клавиатура являются непременными атрибутами любого цифрового устройства, позволяя оператору получить информацию от устройства, изменять режим его работы, вводить новую информацию. Отметим, что дисплей H и клавиатура SB1, SB2 в цифровых реле реализуются в максимально упрощенном виде: дисплей — цифробуквенный, одно- (или несколько-) строчный; клавиатура — несколько кнопок.
Порт связи с внешними цифровыми устройствами (видимо, X1). Достоинством цифровых устройств является возможность передачи имеющейся информации в другие цифровые системы: АСУ ТП, персональный компьютер и т. д., что позволяет интегрировать различные системы, экономя на каналах связи, затратах на предварительную обработку сигналов и т. п. Коммуникационный порт — необходимый элемент для дистанционной работы с данным устройством.
Структурная схема микроЭВМ
УВВ
ОЗУ
ПЗУ
Центральный управляющий и решающий блок микроЭВМ называется центральным процессорным устройством или просто процессором. Этот узел в виде интегральной микросхемы (ИМС), что дало повод называть такую ИМС микропроцессором. Как видно из структурной схемы микроЭВМ, МП в качестве самостоятельного узла не применяется.
Для его работы требуется внешнее запоминающее устройство, где хранится программа (последовательность команд), которую необходимо выполнить. В устройствах, работающих по жесткой программе, какими и являются реле защиты, программа записывается в постоянном запоминающемся устройстве (ПЗУ).
Для хранения переменных и промежуточных результатов вычислений (данных) применяется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Обмен информацией с внешним оборудованием осуществляется с помощью устройств ввода-вывода.
Любая информация в ЭВМ представляется в виде чисел (числовых кодов). Обмен информацией между узлами микроЭВМ осуществляется с помощью шин, т. е. системы электрических линий. Шины различаются по функциям: шина пересылки данных ЩД, шина адреса ША, шина передачи команд управления ШУ.
Сайт откуда информация (там еще много чего про эти МУРЗ): https://studfile.net/preview/3373355/page:10/
Дополнения из лекции
Возможный путь прохождения сигнала
Универсальная (классическая) схема обработки сигналов датчика.
Слева на рисунке 3 изображены датчики, слабые сигналы которых попадают на усилительный каскад на операционном усилителе и в фильтр, устраняющий эффект наложения спектров и формирующих сигнал датчика для последующей оцифровки в АЦП. Далее цифровые сигналы с выхода преобразователя поступают в микроконтроллер.
Дискретизация аналогового сигнала
Дискретный (цифровой) сигнал, в отличие от аналогового, может принимать лишь конечное множество значений и определен лишь для конкретных моментов времени.
Процесс перехода от аналогового сигнала к дискретному называется дискретизацией или квантованием сигнала, а устройства, выполняющие эту операцию, называются аналогоцифровыми преобразователями (АЦП).
Аналоговые
сигналы от ТА и TV преобразуются
промежуточными трансформаторами
напряжения и тока ПТН и ПТТ, фильтрами
низких частот и поступают на мультиплексор,
обеспечивающий поочередно выборку
мгновенных значений величин с выходов
отдельных фильтров и их запоминание на
время правильной работы АЦП. В результате
выходные сигналы АЦП соответствуют в
цифровом виде сигналам, модулированным
по амплитуде синусоидальными функциями.
Каждому аналоговому сигналу u(t) на выходе
фильтра соответствует дискретный сигнал
u(nT) на входе АЦП и цифровой сигнал на
выходе АЦП, вводимый в вычислительное
устройство ВУ, осуществляющее цифровую
обработку сигналов.
Переход от непрерывного сигнала к дискретному всегда происходит с потерей некоторого количества информации. Конечное число градаций дискретного сигнала обуславливает погрешность квантования по уровню, а одной из причин необходимости квантования по времени является то, что и сам процесс аналого-цифрового преобразования, и последующий цикл вычислений в микроЭВМ требует определенного времени, по истечении которого можно делать новую выборку из входного сигнала.
Характеризуя АЦП, говорят о его разрядности и интервале дискретизации сигнала по времени ∆t или частоте выборок fв=1/∆t или, если речь идет о периодических сигналах с периодом Т, о количестве выборок за период N = fвT .
Более того, при аналого-цифровом преобразовании из входного сигнала должны быть исключены все гармоники с частотой, более высокой, чем частота квантования. В противном случае, при восстановлении сигнала появляется разностная составляющая низкой частоты, поэтому на входе АЦП всегда устанавливают аналоговый фильтр нижних частот с полосой пропускания не более fв.
В устройствах РЗА применяют АЦП с частотой выборок от 600 до 2000 Гц. Более высокая частота выборок используется в том случае, когда устройство защиты обеспечивает еще и осциллографирование аварийного процесса.
Дискретизация выполнена правильно, если в дискретных отсчётах содержится достаточная информация для восстановления исходного сигнала.
На
рисунке 6 (г) происходит заворачивание
спектра и исходный сигнал не может быть
восстановлен. Это может произойти, когда
нарушается принцип теоремы отсчётов.
Теорема отсчётов
Теорема отсчётов во временной области.
Теорема Котельникова (теорема отсчетов): любая непрерывная функция S(t), не содержащая частот выше fmax, полностью определяется последовательностью значений в моменты, отстоящие друг от друга на время ∆t=1/2fmax.
Общее число отсчетов n для сигнала длительностью Т будет равно n=T/∆t=2fmaxT, где n называют базой сигнала.
Теорема отсчётов в частотной области.
При
анализе сигналов с непрерывными спектрами
часто бывает необходимо представить
сигнал
с помощью частотных выборок спектральной
функции, а не временных выборок функции
S(t).
Для функции можно составить ряд, аналогичный предыдущему выражению, на основании взаимной заменяемости переменных t и в паре преобразований Фурье. Это означает, что t следует заменить на , 2 =2pfmax на T, ∆t=1/(2fmax) на ∆w=2p/T.
Рисунок
7
а и б) аналоговый сигналы с полосой частот в пределах 0…0,33 частоты дискретизации;
в) дискретизация аналогового сигнала и его импульсный портрет;
г) частотная область дискретного сигнала;
д) дискретизация аналогового сигнала с частотами до 0,66 часто ты дискретизации и его импульсный портрет;
е) частотная область дискретного сигнала с наложением спектров.
То есть, при разложении дискретизированного сигнала в ряд Фурье, спектр начинает циклически повторяться с периодом (периодом на оси f) равном частоте дискретизации. Если частота дискретизации меньше, чем удвоенная частота наивысшей представленной гармоники, то повторение спектра начинает накладываться на исходный спектр (исходный не кончился, а повторение уже началось из-за малой частоты дискретизации), вызывая его заворачивание.
Для предотвращения заворачивания спектра повышают частоту дискретизации и ставят перед АЦП ФНЧ, убирающий из спектра гармоники частотой выше половины fs.
Цифро-аналоговое
преобразование
Фиксатор нулевого порядка убирает частоты выше частоты дискретизации (видимо, превращает импульсный сигнал в ступенчатый, продлевая значение импульса на период дискретизации). Спектр фиксатора – синк-функция. Полученный спектр будет произведением исходного спектра и синк-функции.
Для восстановления аналогового сигнала фильтр должен убрать из спектра составляющие выше половины частоты дискретизации и компенсировать искажения, внесённые умножением на sinc-функцию. На рисунке приведена идеальная характеристика фильтра восстановления.
Элайзинг (алиасинг) – заворачивание спектра.
Использование аналоговых фильтров в соответствии с теоремой отсчётов.
АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой. Выходной сигнал представляет собой некоторое число параллельных цифровых разрядов. Каждый разряд — это двоичный столбец.
На вход ЦАП поступает параллельный цифровой код. ЦАП преобразует его снова в величину напряжения (или ток), которая была представлена в виде двоичного входного сигнала. Если это проделать с последовательностью цифровых входных сигналов, то можно восстановить аналоговую форму исходного сигнала.
Состав
блоков микропроцессорного терминала
релейной защиты
Тестирование
устройств
Проверка работы РЗА по файлам аварийных процессов
Модель аварийного процесса в виде COMTRADE-файла загружается в устройство для проверки РЗА (например, РЕТОМ-51), который посылает соответствующие электрические сигналы на пусковые и измерительные органы РЗА.
Тестирование в темпе процесса
MU (SAMU) – (Stand alone) merging unit – устройство сопряжения с шиной процесса.
ПА – противоаварийная автоматика.
ЦПС – цифровая подстанция.
Программно-аппаратный комплекс (ПАК) реального времени симулирует цифровую подстанцию в реальном времени. Через ЦАП и усилители на MU, РЗА и ПА поступают входные воздействия, имитирующие реальные токи и напряжения от ТН и ТТ, а так же дискретные сигналы от дискретных выходов ПАК (например, имитирующие сигналы от соседних энергообъектов). Также на РЗА и ПА поступают сигналы от MU и АСУ ТП (так как это заложено на самой ЦПС).
От РЗА и ПА при их действии на ПАК поступают дискретные сигналы, отсылаемые на дискретные входы, и MMS и GOOSE-сообщения, отсылаемые на шину станции.
Дополнения из другой лекции
Структура
защиты
Блоки:
1, 2, 3 – компараторы;
4 – блокирование ступени;
5 – элемент выдержки времени (независимой);
6 – элемент зависимой выдержки времени;
7 – формирование ускорения
ступени (логическое И);
8 – формирование обобщенного сигнала «Пуск» (логическое ИЛИ);
9, 10, 11 – формирование
сигнала на срабатывание
ступени (логическое ИЛИ);
12 – элемент блокирования при броске намагничивающего тока (БНТ)
При превышении любым из фазных токов IA, IB, IC уставки соответствующего компаратора 1-3 возникает сигнал «Пуск I>» (По традиции в цифровых устройствах характеристики первой, второй и третьей ступеней обозначают так: I>>> (первая ступень), I>> (вторая ступень), I> (третья ступень)) и при отсутствии блокирующих сигналов начинает отсчет времени элемент выдержки времени 5/6 (независимая или зависимая характеристика).
Блокирование срабатывания выполняется элементом 4 как внешним сигналом, так и в цикле АПВ. Сигнал блокирования поступает на элемент 13.
Выявление
броска тока намагничивания
Блоки:
1, 2 – измерение первой и второй гармоники тока (амплитуд);
3 – уставка по коэффициенту блокирования;
4, 8 – блоки сравнения с уставкой (компараторы);
5 – выявление броска тока намагничивания;
6 – блок отсечки токов снизу;
7 – максимально возможный бросок тока намагничивания;
9 – пуск токовой ступени
От внешней цепи в схему приходят амплитуды первой и второй гармоники тока – блоки 1 и 2 (судя по схеме, амплитуды второй гармоники и исходного сигнала – МЧ). В блоке 4 происходит вычисление допустимой амплитуды второй гармоники (уставка содержания умножается на амплитуду сигнала) и сравнение с текущей её амплитудой. В блоке 8 амплитуда сигнала сравнивается с уставкой максимально возможного броска тока намагничивания (от блока 7). Если амплитуда сигнала превышает уставку, блок 8 отправляет блокирующий сигнал на блок 5 (который при приходе сигнала от блока 8 выдаёт 0) – блокировка не работает. Если от блока 4 сигнал пришёл, а от блока 8 нет (то есть, содержание второй гармоники выше нормального, а ток ниже предельного броска намагничивания), значит блок 5 выдаёт 1 и при пуске защиты (блок 9 выдаёт 1) срабатывает блокировка – работа защиты блокируется.
Осциллограмма проверки МТЗ
Логическая реализация ТО
Логическая реализация МТЗ
Блок БТН
Блок
фазного органа тока
Отдельные функциональные блоки
Сайт откуда информация (там еще много чего про эти МУРЗ):
https://studfile.net/preview/3373355/page:10/