Структура цифровых устройств релейной защиты

Цифровые устройства защиты различного назначения имеют много общего, а их структурные схемы очень похожи и подобны представленной на рис. 1.2. Центральным узлом цифрового устройства является микро-ЭВМ (микропроцессор), которая через свои устройства ввода-вывода обменивается информацией с периферийными узлами. С помощью этих дополнительных узлов осуществляется сопряжение микропроцессора с внешней средой: датчиками исходной информации, объектом управления, оператором и т. д.

Следует отметить, что в реальном устройстве защиты может использоваться несколько микропроцессоров, каждый из которых занят решением отдельного фрагмента общей задачи с целью обеспечения высокого быстродействия. Например, в сложных защитах высоковольтных линий используется до 10 микропроцессоров, работающих параллельно.

Непременными узлами любого цифрового устройства РЗА являются: входные (U 1... U 4) и выходные (KL 1... KLJ) преобразователи сигналов, тракт аналого-цифрового преобразования (U 6, U 7), кнопки управления и ввода информации от оператора (SB 1, SB 2), дисплей (Н) для отображения информации и блок питания (U 5). Современные цифровые устройства, как правило, оснащаются и коммуникационным портом (X 1) для связи с другими цифровыми устройствами.

Входные преобразователи. Они обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей от внутренних цепей устройства. 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.

Рис. 1.2. Структурная схема цифрового терминала защиты

Различают преобразователи аналоговых (U 3, U 4) и логических (U l, U 2) входных сигналов. Первые стремятся выполнить так, чтобы обеспечить линейную (или нелинейную, но с известным законом) передачу контролируемого сигнала во всем диапазоне его изменения. Преобразователи логических сигналов, наоборот, стремятся сделать чувствительными только к узкой области диапазона возможного нахождения контролируемого сигнала. Такое исполнение позволяет в ряде случаев избежать неправильного действия устройства РЗА при замыканиях на землю в цепях оперативного тока.

Выходные преобразователи. Воздействия реле на объект защиты традиционно осуществляются 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 защиты. Выходные преобразователи должны обладать соответствующей коммутационной способностью и, в общем случае, обеспечивать видимый разрыв коммутируемой цепи.

Тракт аналого-цифрового преобразования включает мультиплексор (U 6) и собственно аналого-цифровой преобразователь – АЦП (U 7). Мультиплексор – это электронный коммутатор, поочередно подающий контролируемые сигналы на вход АЦП. Применение мультиплексора позволяет использовать один АЦП для нескольких каналов. В АЦП осуществляется преобразование мгновенного значения входного сигнала в пропорциональную ему цифровую величину. Преобразования выполняются с заданной периодичностью во времени. В последующем, в микропроцессоре по этим выборкам из входных сигналов рассчитываются интегральные параметры контролируемых сигналов – их амплитудные или действующие значения.

Блок питания (БП) обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы устройства, независимо от возможных изменений напряжения в питающей сети.

Дисплей и клавиатура. Они являются непременными атрибутами любого цифрового устройства, позволяя оператору получать информацию от устройства, изменять режим его работы, вводить новую информацию. Надо отметить, что дисплей (Н) и клавиатура (SB 1, SB 2) в цифровых реле, как правило, реализуются в максимально упрощенном виде: дисплей – цифробуквенный (одна или несколько строк); 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. Коммуникационный порт – необходимый элемент для дистанционной работы с данным устройством.

Практически вся обработка информации в цифровом реле осуществляется внутри микропроцессора по определенному алгоритму, реализованному в виде программы. Сегодня промышленностью предлагаются десятки разновидностей микропроцессоров и они непрерывно совершенствуются. По этой причине происходит периодическое обновление аппаратной базы в цифровых устройствах РЗА.

Входное преобразование аналоговых сигналов. Сигналы, контролируемые устройствами РЗА, имеют, в общем случае, разную физическую природу – токи, напряжения, температура и т. д. Чаще всего устройства защиты работают с сигналами от источников переменного тока и напряжения, с традиционными номинальными уровнями: 1 А, 5 А, 100 В. Такие уровни сигналов обеспечивают необходимую помехозащищенность, но совершенно неприемлемы для обработки в электронных схемах. Использование же датчиков с выходными сигналами, согласованными с требованиями электроники, наталкивается на необходимость либо резко ограничивать длину линий связи, размещая устройства вблизи датчиков информации, либо применять дополнительные меры по их защите от помех, такие как, экранирование.

При подключении микропроцессорных устройств к традиционным датчикам тока и напряжения требуется приведение 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 защиты, допускающих работу с погрешностью 2¸5 %.

В отдельных цифровых устройствах входные преобразователи выполняются на основе так называемых «активных трансформаторов». Эти преобразователи известны и как преобразователи с датчиками Холла. Их класс точности составляет порядка 0,1, что с запасом удовлетворяет требованиям релейной защиты.

В последнее время в связи с появлением электронных устройств со сверхмалым потреблением возрос интерес к датчикам тока типа «катушка Роговского». Измерительная катушка Роговского не имеет ферромагнитного сердечника и располагается вокруг проводника с контролируемым током i (t). Отсутствие в ней 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 ее недостатком является очень малая отдаваемая мощность и низкий уровень выходного сигнала. Однако, несмотря на этот недостаток, катушки Роговского уже начали широко применяться на практике.

Тракт аналого-цифрового преобразования. Практически все реально существующие физические явления и процессы описываются аналоговыми сигналами. Аналоговый сигнал непрерывно изменяется во времени и может принимать любые значения в некотором диапазоне, определяемом природой физической величины. Дискретный (цифровой) сигнал 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 аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Переход от непрерывного сигнала к дискретному всегда происходит с потерей некоторого количества информации. Конечное число градаций дискретного сигнала обусловливает 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 микропроцессоре требуют определенного времени, по истечении которого можно делать новую выборку из входного сигнала (рис. 1.3). Он показывает, как из непрерывного аналогового сигнала X (t) (рис. 1.3, а) c помощью АЦП получают ряд квантованных по уровню дискретных значений X *(t), отстоящих друг от друга на интервал дискретизации Δ t (рис. 1.3, б), которые используются в дальнейших расчётах. Огибающая выборки X *(t) повторяет в заданном масштабе аналоговый сигнал X (t).

Характеризуя АЦП говорят о его разрядности и интервале дискретизации сигнала по времени Δ t или частоте выборок f _в = 1/Δ t, или, если речь идет о периодических сигналах с периодом Т,о количестве выборок за период N=f _в T.

Для точного восстановления первоначального сигнала из его дискретного представления частота выборок должна, по крайней мере, вдвое превышать самую высокочастотную гармоническую составляющую входного сигнала, т. е.

f _в > 2 f _max или N > 2 f _max T.

 

Рис. 1.3. Аналого-цифровое преобразование сигнала

 

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 f _в.

В устройствах РЗА применяют АЦП с частотой выборок от 600 Гц до 2000 Гц. Более высокая частота выборок используется в том случае, когда устройство защиты обеспечивает еще и осциллографирование аварийного процесса. Цифровое устройство с частотой выборок 2000 Гц эквивалентно осциллографу с полосой пропускания 0¸1000 Гц.

Второй важной характеристикой АЦП является разрядность р формируемого им двоичного числа. Существует однозначная связь между разрядностью АЦП и точностью измерения аналоговой величины. Например, в двухразрядном АЦП на его двух выходах возможно формирование только четырех независимых числовых комбинаций: 00, 01, 10 и 11. Эти числа можно интерпретировать как нахождение входного аналогового сигнала в одном из четырех поддиапазонов, ограниченных 0¸ X _max. В случае р -разрядного АЦП ступенька квантования при определении уровня сигнала составит Х _mах / 2^р. В энергетике из всех величин в наиболее широком диапазоне изменяется ток. В нормальном режиме работы электроустановки ток находится в пределах (0¸1) I _ном, в аварийных режимах достигает (10¸30) I _ном. Для преобразования с погрешностью не более (2¸5)% требуемое число ступеней квантования m должно быть 2000¸4000, т. е. требуется АЦП с разрядностью р = 11, 12.

Входные преобразователи дискретных сигналов. Практически во всей современной электронной аппаратуре ввод дискретных сигналов осуществляется через преобразователи на основе оптронов.

Выходные релейные преобразователи. Несмотря на очевидные достижения электроники в области коммутации высоких потенциалов и сильных токов в цифровых реле, в большинстве случаев по-прежнему используются промежуточные электромагнитные реле. Контактная пара пока еще остается вне конкуренции как единственное устройство, обеспечивающее видимый разрыв в коммутируемой цепи. К тому же это и самое дешевое решение. Как правило, в цифровых устройствах защиты применяются несколько типов малогабаритных реле: с большей коммутационной способностью – для работы непосредственно в цепях управления выключателей, с меньшей – для работы в цепях сигнализации. Мощные реле способны включать цепи с током порядка 5¸30 А, но их отключающая способность обычно не превосходит 1 А при напряжении 220 В. Таким образом, схема управления высоковольтным выключателем должна предусматривать прерывание тока в цепи электромагнита отключения выключателя его вспомогательным контактом (концевой выключатель). Отключающая способность сигнальных реле обычно не превышает 0,15 А в цепях постоянного тока напряжением 220 В.

Средства отображения информации. Требования к средствам визуального отображения информации весьма противоречивы. Это является причиной большого многообразия в части дизайна лицевых панелей цифровых устройств защиты. Для отображения информации в реле используются и отдельные светодиодные индикаторы, и табло, и даже графические экраны. Для простоты будем называть совокупность элементов визуального отображения информации в реле дисплеем.

Каким требованиям должен удовлетворять дисплей реле защиты? Очевидно, что он не должен быть дорогим, так как общение человека с реле происходит крайне редко. Дисплей должен обеспечивать быстрое и однозначное представление информации. Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяют простые дисплеи в виде светодиодных индикаторов. С другой стороны, цифровое устройство защиты – это устройство, которое способно предоставить оператору очень большой объем информации: текущие значения токов и напряжений, их аварийные значения, уставки (а их в цифровых реле может быть несколько наборов), состояние входов и выходов управления и т. д. Для оперативного получения такого объема информации требуются соответственно и более информативные дисплеи. На рис. 1.4 представлены некоторые варианты выполнения дисплеев устройств защиты.

В комплектных устройствах защиты типа SPAC 800 (рис. 1.4, а) отдельный светодиодный индикатор (или крайний левый разряд цифрового светодиодного табло) указывает на отображаемый параметр, а численное значение этого параметра выводится в трех правых разрядах цифрового табло. Светодиодный дисплей хорошо заметен, особенно в условиях малой внешней освещенности.

 

а) б) в)

Рис.1.4. Варианты дисплеев цифровых устройств защиты

 

Применяются цифробуквенные многострочные дисплеи (рис. 1.4, б), что обеспечивает удобство считывания информации. Такие табло выполняются на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ). Основными недостатками ЖКИ-дисплеев являются относительно низкая контрастность изображения и неработоспособность при низких температурах. Однако невысокая стоимость и легкость управления ЖКИ способствуют их широкому применению.

Наиболее наглядно информация представляется на графическом дисплее, что в какой-то мере демонстрирует рис. 1.4, в.

В последнее время применение в реле сложного дисплея становится менее актуальным. Современные цифровые реле, как правило, предусматривают возможность подключения к компьютеру, и вся необходимая информация может в любой удобной форме быть представлена на привычном дисплее компьютера.

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 параметры и величины, ввести новые уставки и т. д.Число кнопок, используемых в клавиатурах различных устройств защиты, варьируется от двух до десяти. Чем больше кнопок в клавиатуре, тем удобнее и быстрее можно вводить информацию в устройство. Однако кнопки являются наиболее ненадежными элементами. Поэтому там, где пользоваться клавиатурой приходится крайне редко, стремятся использовать минимальное число кнопок. Минимальное число кнопок клавиатуры, позволяющее вводить любую информацию, равно двум.

Работу с двухкнопочной клавиатурой можно ассоциировать с продвижением по кругу из неких параметров, управляя движением одной из кнопок, и выбором искомого – с помощью другой кнопки. В некоторых реле состояния, доступные с помощью кнопок управления, представляются двухмерным массивом. Продвижение по координатам массива осуществляется соответствующими кнопками, а выбор элемента массива производится одновременным нажатием двух кнопок.

При нажатии одной кнопки происходит перемещение по вертикали, а при нажатии другой кнопки – по горизонтали. Манипулируя длительностью нажатия кнопок можно обеспечить продвижение в прямом и обратном направлениях. Например, при нажатии кнопки на время менее 0,5 с происходит движение назад; при нажатии кнопки в течение 0,5¸1,0 с происходит движение вперед, а при удержании кнопки в нажатом состоянии – автоматический переход от одной позиции меню к другой (так называемая прокрутка).

Оптоволоконные каналы передачи информации. Оптические системы связи начали развиваться с начала 70-х годов прошлого века. Основными их компонентами являются: оптический излучатель, световод и светочувствительный элемент (фотоприемник). По сравнению с электрическими кабелями световоды обладают рядом достоинств:

- высокая помехозащищённость в условиях сильных полей;

- большая пропускная способность;

- 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;

- высокие эксплуатационные характеристики: малый радиус изгиба, некритичность к условиям прокладки (возможна прокладка рядом с сильноточными кабелями), малые массо-габаритные показатели и т.д.

Основным недостатком оптических кабелей является сложность стыковки световодов между собой, а также с излучателями и приёмниками сигналов. Однако технология сращивания оптических кабелей быстро совершенствуется.