Защиты и автоматики
9.2.1. Структурная схема цифрового устройства защиты
Цифровые устройства РЗ различного назначения имеют много общего, а их структурные схемы очень похожи и подобны представленной па рис. 9Л. 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.
Следует отмстить, что и реальном устройстве РЗ используются несколько микропроцессоров (МП), каждый из которых занят решением отдельного фрагмента общей задачи с целью обеспечения высокого быстродействия.
Рис. 9.1. Структурная схема цифрового устройства защиты
Непременными узлами цифрового устройства РЗА являются: входные U1 – U4 и выходные KL1 - КLi преобразователи сигналов; тракт аналого-цифрового преобразования U6, U7; кнопки управления и ввода информации от оператора SВ1, SВ2; дисплей Н для отображения информации и блок питания U5. Современные цифровые устройства, как правило, оснащаются и коммуникационным портом XI для связи с другими устройствами.
Основные функции вышеперечисленных узлов следующие.
Входные преобразователи обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей устройства от внутренних. Одновременно, входные преобразователи 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. Одновременно принимаются меры по защите внутренних элементов устройства от воздействия помех и перенапряжений. Различают преобразователи аналоговые (U3, U4) и логические (U1, U2) входных сигналов. Первые выполняют так, чтобы обеспечить линейную (или нелинейную, но с известным законом) передачу контролируемого сигнала во всем диапазоне его изменения. Преобразователи логических сигналов, наоборот, делают чувствительными только к узкой области диапазона возможного нахождения контролируемого сигнала.
Выходные релейные преобразователи. Воздействие реле на защищаемый объект традиционно осуществляется в виде дискретных сигналов управления. При этом выходные цепи устройства защиты выполняют 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 собственно аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – U7. Мультиплексор (электронный коммутатор) поочередно подает контролируемые сигналы на вход АЦП. Применение мультиплексора позволяет использовать один АЦП для нескольких каналов. В АЦП осуществляется преобразование мгновенного значения входного сигнала в пропорциональное ему цифровое значение. Преобразования выполняются с заданной периодичностью. В последующем в микроЭВМ по этим выборкам из входных сигналов рассчитываются интегральные параметры контролируемых сигналов - их амплитудные или действующие значения.
Блок питания (БП) - U 5 - обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы рассматриваемого устройства, независимо от возможных изменений напряжения в питающей сети. Как правило, в БП формируется и ряд дополнительных сигналов, исключающих неправильную работу ЭВМ и некоторых других электронных узлов устройства в момент появления и исчезновения напряжения питания.
Дисплей и клавиатура являются обязательными узлами любого цифрового устройства; они позволяют оператору получить информацию от устройства, изменять режим его работы, вводить новую информацию. Дисплей Н и клавиатура SВ1, SВ2 в цифровых реле, как правило, реализуются в максимально упрощенном виде: дисплей — цифробуквенный, одно- (или несколько-) строчный; клавиатура - несколько кнопок.
Порт связи с внешними цифровыми устройствами. 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. Коммутационный порт - необходимый элемент для дистанционной работы с данным устройством. Наряду с вышеперечисленными и цифровых устройствах, в общем случае, могут встретиться и другие узлы, например, цифро-аналоговые преобразователи при формировании аналоговых сигналов управления и регулирования. Реальные входные сигналы цифровое устройство получает от стандартных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), Практически вся обработка информации в цифровом реле осуществляется внутри микроэвм по определенному алгоритму, реализованному в виде программы работы этой ЭВМ.
9.2.2. Входные преобразователи аналоговых сигналов
Сигналы, контролируемые устройствами РЗА, имеют в общем случае разную физическую природу - токи, напряжения, температура и т.д. Чаще всего устройства РЗ работают с сигналами от источников переменного тока и напряжения, с традиционными номинальными уровнями: 1А, 5А, 100В. Такие уровни сигналов обеспечивают необходимую помехозащищенность, но совершенно неприемлемы для обработки в электронных схемах. Использование же датчиков с выходными сигналами, согласованными с требованиями электроники, наталкиваются на необходимость либо резко ограничить длину линий, размещая устройства вблизи датчиков информации, либо применять дополнительные меры по их защите от помех, такие как, например, экранирование, что весьма дорого. При подключении микропроцессорных устройств к традиционным датчикам тока и напряжения требуется приведение их сигналов к единому виду и диапазону изменения, приемлемому для обработки электронными узлами. Наиболее часто входные согласующие преобразователи цифровых устройств выполняют на базе обычных электромагнитных трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Несмотря на то, что такие трансформаторы имеют нелинейные передаточные характеристики, определенный разброс параметров, некоторую нестабильность во времени и при изменении температуры, они все же приемлемы для построения устройств РЗ, допускающих работу с погрешностью 2 - 5 %.
В трансформаторных преобразователях (рис.9.2) основное внимание уделяется снижению междуобмоточной емкости, по которой возможно попадание импульсных помех внутрь устройства. С этой целью секционируют вторичную обмотку или помещают между первичной и вторичной обмотками электростатичеткий экран. Ввиду очень малого потребления мощности последующими электронными узлами, преобразование токовых сигналов в напряжение осуществляют простейшим способом - с использованием шунтов R. Для защиты электронных узлов от возможных перенапряжений широко применяют варисторы RV (или стабилитроны) и фильтры нижних частот, например, на основе RС-цепей.
Рис. 9.2. Входные преобразователи на основе промежуточных трансформаторов
В отдельных цифровых устройствах входные преобразователи выполняют на основе так называемых активных трансформаторов. Эти преобразователи известны и как преобразователи с датчиками Холла. На рис.9.3 представлена схема такого преобразователя. Датчик Холла из-за его температурной нестабильности крайне сложно использовать непосредственно для измерения магнитного потока. Однако, использовать его в качестве нуль-индикатора - можно. Это и делается в данном преобразователе, где усилитель DА генерирует во вторичную обмотку трансформатора такой ток, чтобы выполнилось равенство МДС обмоток. Класс точности таких преобразователей достигает 0,1, что с запасом удовлетворяет требованиям релейной защиты.
Рис.9.3. Входной преобразователь с датчиком Холла: 1 - магнитопровод;
2 — датчик Холла; 3 — усилитель
В последнее время, в связи с появлением электронных устройств со сверхмалым потреблением, возрос интерес к датчикам тока типа «катушка Роговского» (рис.9.4).
Рис. 9.4. Датчик тока типа "катушка Роговского": 1 — катушка Роговского, 2 — проводник с током
Измерительная катушка Роговского не имеет ферромагнитного сердечника и располагается вокруг проводника с контролируемым током i(t). Магнитное поле проводника с током индуцирует в катушке ЭДС.
Отсутствие в катушке нелинейного ферромагнитного сердечника обеспечивает малую погрешность преобразования (в лучших образцах не более 0,1 %) в очень широком диапазоне изменения контролируемых токов (от нуля до сотен килоампер). С помощью катушки Роговского можно измерять токи в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц. Основным недостатком катушки Роговского является очень малая отдаваемая мощность и низкий уровень выходного сигнала. Однако, несмотря на этот недостаток, датчики тока типа катушки Роговского уже начали широко применяться на практике.
9.2.3. Тракт аналого-цифрового преобразования
Известно, что процесс перехода от аналогового сигнала к дискретному называют квантованием сигнала, а устройства, выполняющие эту операцию, - аналого-цифровыми преобразова1 елями (АЦП). 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.
В устройствах РЗА применяют АЦП с частотой выборок от 600 до 2000 Гц. Более высокую частоту выборок используют в том случае, когда устройство защиты обеспечивает еще и осциллографирование аварийного процесса.
Второй важной характеристикой АЦП является разрядность формируемого им двоичного числа.
9.2.4. Входные преобразователи дискретных сигналов
Практически во всей современной электронной аппаратуре ввод дискретных сигналов осуществляется через преобразователи на основе оптронов.
Собственное время переключения у оптронов составляет доли микросекунды. Для оптопары (светодиод фотоприемник) характерна малая проходная емкость, что препятствует проникновению помех по этому пути. Допустимое напряжение между цепью управления и элементами управляемой цепи достигает нескольких киловольт, рабочий ток светодиода VD составляет 3-5 мА,
В первую очередь, малый входной ток обуславливает низкую помехозащищенность преобразователя.
Устройства с малым потреблением могут реагировать на замыкания на землю в сети оперативного тока, так как их входной ток соизмерим с током цепи контроля изоляции сети оперативного тока. Для исключения этого входные цепи измерительного преобразователя выполняют с привязкой к потенциалам полюсов сети оперативного тока и поднимают порог переключения преобразователя до уровня 60-80 % номинального напряжения цепи.
9.2.5. Выходные релейные преобразователи
В цифровых реле в большинстве случаев используются промежуточные электромагнитные реле. Контактная пара пока еще остается вне конкуренции как приемлемое устройство, обеспечивающее видимый разрыв в коммутируемой цепи. К тому же это и самое дешевое решение. Как правило, в цифровых устройствах РЗ применяют несколько типов малогабаритных реле: с большой коммутационной способностью — для работы непосредственно в цепях управления выключателей, с меньшей - для работы в цепях сигнализации. Мощные реле способны включать цепи с током примерно 5 - 30А, но их отключающая способность обычно не превосходит 1А при напряжении 220В. Таким образом, в схеме управления предусматривают прерывание тока в цепи электромагнита выключателя его вспомогательным контактом. Отключающая способность сигнальных реле обычно не превышает 0,15А в цепях постоянного тока напряжением 220В.
Для отображения информации в цифровых реле используют и отдельные светодиодные индикаторы и табло, и даже графичеекие экраны. Совокупность элементов визуального отображения информации в цифровом реле называют дисплеем.
Цифровое устройство защиты предоставляет оператору большой объем информации: текущие значения токов и напряжений электроустановки, их аварийные значения, уставки (а их в цифровых реле может быть несколько наборов), состояние входов и выходов управления и т.д. Для оперативною получения такого объема информации требуются соответственно более информативные дисплеи. На рис.9.5 представлены некоторые варианты выполнения дисплеев устройств РЗ.
Рис. 9.5. Варианты дисплеев цифровых устройств зашиты
Следует сказать несколько слов о представлении числовых данных в устройствах РЗ. Цифровые реле имеют погрешность 2 - 5 %, С учетом
этой погрешности и выполняются дисплеи цифровых реле — с возможностью отображения лишь трех значащих цифр.
Современные цифровые реле, как правило, предусматривают подключение и к ЭВМ, и вся необходимая информация в любой удобной форме может быть представлена на привычном дисплее ЭВМ.
9.2.6. Органы местного управления реле
Кнопки управления или клавиатура являются неотъемлемыми элементами связи человека с цифровым устройством, С помощью клавиатуры можно изменить режим работы устройства, вызвать на дисплей интересующие оператора параметры и величины, ввести новые уставки и т.д.
Число кнопок, используемых в клавиатурах различных устройств РЗ, варьируется от 2 до 10. Чем больше кнопок в клавиатуре, тем удобнее и быстрее можно вводить информацию в устройство. Однако, кнопки являются наиболее ненадежными элементами цифровой аппаратуры. Минимальное число кнопок клавиатуры, позволяющее вводить любую информацию, равно двум.
9.2.7. Хранение информации в цифровых устройствах
Одним из важнеейших узлов цифровых реле являются устройства хранения информации. В настоящее время используются различные типы устройств для хранения информации.
Все применяемые статические запоминающие устройства подразделяют на ПЗУ, ОЗУ и ППЗУ. Ниже дается их краткая характеристика.
Для хранения рабочей программы в устройствах защиты обычно используют постоянные запоминающие устройства - ПЗУ. Отличительной чертой ПЗУ является однократная запись информации. В последующем возможно только считывание записанной информации. Достоинством микросхем ПЗУ является их низкая стоимость и возможность хранения информации при отключении питания.
В последнее время применяют так называемые перепрограммируемые устройства памяти, которые особенно актуальны для устройств защиты, рабочая программа которых должна изменяться в процессе эксплуатации. Существуют устройства РЗА, в которых нужные функции защиты выбираются из библиотеки стандартных функций самим пользователем. Логическая часть этих устройств РЗА создается пользователем из базовых логических функций типа И, ИЛИ, ТРИГГЕР и т.д. Рабочая программа в таких устройствах защиты располагается в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве (ППЗУ). ППЗУ является энергонезависимой памя1ью, т.е. хранимая в ней информация не разрушается в обесточенном состоянии.
Для временного хранения результатов промежуточных вычислений используют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), Запись и считывание данных в ОЗУ осуществляется с максимальной скоростью. Существенным недостатком ОЗУ является разрушение информации при отключении питания.
Хранение уставок и других параметров, которые приходится изменять в процессе эксплуатации зашиты, - осуществляется в ППЗУ, допускающих многократное изменение уставок.
Устройства памяти могут повреждаться или терять информацию, например, под воздействием ионизирующих излучений. Для обнаружения этого применяют специальные меры. Так, в устройствах с ЕЕРRОМ-памятью имеется возможность восстанавливать утерянную информацию, для чего важнейшие массивы информации, например, уставки, дублируются в разных микросхемах памяти. Так как одновременное повреждение информации в двух микросхемах маловероятно, то имеется возможность восстановить информацию перезаписью содержимого неповрежденного массива на место поврежденного.
9.2.8. Блок литания и интерфейсы цифровых устройств
Практически во всех современных устройствах используют импульсные блоки питания, выполняемые на базе высокочастотных инверторов. Схематично такой БП с однотактным инвертором представлен на рис. 9.6.
Эти БП защищены от перенапряжений в питающей сети и от проникновения помех внутрь устройства.
Интерфейс представляет собой совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных цифровых устройств, объединенных в систему. По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на интерфейсы с параллельной и последовательной передачей данных.
Наиболее быстрый обмен информацией между двумя цифровыми устройствами обеспечивает параллельный интерфейс, упрощенная схема которого представлена на рис.9.7. При передаче информации могут использоваться различные физические среды: электрические линии, радиоканалы, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
Рис. 9.7. Вариант обмена информации
9.2.9. Проводные каналы связи
Передача импульсов по электрическому каналу с ограниченной полосой пропускания Δf = fmax – fmin сопровождается задержкой и искажением формы передаваемого импульса.
На рис.9.8 представлена схема передачи информации с использованием волоконно-оптического канала связи.
Рис.9.8. Схема передачи информации с использованием волоконно-оптического канала связи
Основными компонентами этой системы являются: оптический излучатель VD, световод С и светочувствительный элемент (фотоприемник) VТ. В качестве излучателей используют полупроводниковые светодиоды и твердотельные диодные лазеры. В отличие от диффузионных светодиодов, лазеры являются источниками когерентного излучения. В качестве детекторов используют фототранзисторы и pin-диоды. Последние являются высококачественными оптическими детекторами с временем срабатывания в несколько наносекунд и чувствительностью до 1000 фотонов в секунду.
Движение света вдоль криволинейного световода происходит при многократном внутреннем отражении луча на границе световод - оболочка.
Волоконно-оптический кабель (ВОК) является сложным сооружением, имеющим минимальные потери энергии при передаче, а также защиту световода от внешних воздействий. Самым дешевым является волокно со ступенчатым изменением коэффициента преломления. Часто для этой цели используют оптически прозрачную пластмассу. С помощью пластмассовых светодиодов передают данные на расстояние до нескольких десятков метров. В кабелях более высокого качества используют кварцевое волокно. Кварцевые светодиоды выпускают со ступенчатым и плавным изменением коэффициента преломления. Последним достижением волоконно-оптической дальней связи является передача информации на частотах до 4 ГГц и на расстояние 120 км без повторителей.
Светодиоды, по сравнению с электрическими кабелями, имеют следующие достоинства:
• высокую помехозащищенность в условиях электромагнитных полей;
• большую пропускную способность. По сравнению с коаксиальными кабелями, в которых скорость и потери существенно зависят от частоты, дисперсия (зависимость фазовой скорости волны от частоты) ВОК незначительна, а, следовательно, в них в меньшей степени наблюдается уширение импульсов;
• безопасность при эксплуатации. Исключается вынос электрического потенциала из электроустановки; невозможно возгорание кабеля по причине КЗ;
• не используется дефицитная медь, что делает их потенциально дешевле в перспективе при отработке технологии производства оптоволокна;
• высокие эксплуатационные характеристики; малый радиус изгиба, некритичность к условиям прокладки (возможна прокладка рядом с сильноточными кабелями), малые массогабаритные показатели и т.д.
Основным же недостатком ВОК является сложность сопряжения (стыковки) световодов между собой, а также с излучателями и приемниками сигналов. Это обуславливается и малым сечением волокна (диаметр 0,125 мм и менее), и необходимостью выполнения среза волокна строго перпендикулярно его оси и обработки среза с высокой степенью чистоты для получения минимального затухания. По этой причине одножильные кабели протяженностью до нескольких десятков метров в настоящее время считаются неремонтопригодными. Однако, технология сращивания оптических кабелей быстро совершенствуется.
При большом уровне электромагнитных помех эффективная скорость передачи информации по электрическим линиям связи резко падает, так как искаженное сообщение приходится повторять. По этой причине в условиях электростанций и подстанций альтернативой электрическим линиям становятся волоконно-оптические линии связи.
Дата: 2019-02-25, просмотров: 432.