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.