Описание микропроцессорных устройств РЗА

Основные характеристики микропроцессорных устройств

Большинство фирм-производителей оборудования РЗА переходит на цифровую элементную базу. Переход на новую элементную базу не приводит к изменению принципов РЗА, а только расширяет ее функциональные возможности, упрощает эксплуатацию и снижает ее стоимость. По этим причинам микропроцессорные устройства очень быстро занимают место электромеханических и электронных реле.

Лидерами в производстве микропроцессорных устройств РЗА являются европейские концерны AREVA, ABB, SIEMENS и др. Цифровые защиты, выпускаемые этими фирмами, имеют высокую стоимость, которая окупается их высокими техническими характеристиками и многофункциональностью.

Основные характеристики микропроцессорных защит значительно выше, чем электромеханических или электронных. Так, коэффициент возврата измерительных органов составляет 0,95…0,97 (вместо 0,80…0,85 у электромеханических реле), аппаратная погрешность - в пределах 2…5%, мощность, потребляемая от измерительных трансформаторов тока и напряжения, находится на уровне 0,1…0,5 В∙А (вместо 10…50 В∙А у электромеханических реле).

ЦР требуется надежный источник питания. Практически независимо от числа реализуемых функций, цифровое устройство РЗ потребляет от сети оперативного тока мощность порядка 5…20 Вт.

Собственное время срабатывания измерительных органов цифровых реле осталось практически таким же, как у их электромеханических аналогов.

Цифровые устройства РЗА совмещают в рамках единого комплекта функции релейной защиты, измерения, регулирования и управления электроустановкой. Такие устройства в структуре автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) энергетического объекта являются оконечными устройствами сбора информации.

Описание микропроцессорных устройств РЗА

Структурная схема. Цифровые устройства РЗА различного назначения имеют много общего, а их структурные схемы очень схожи и представлены на рис. 6.1. Центральным узлом цифрового устройства является микропроцессор (МП), который через свои устройства ввода-вывода обменивается информацией с периферийными узлами. С помощью этих дополнительных узлов осуществляется сопряжение микропроцессора с внешними датчиками исходной информации, объектом управления и т. д.

В реальном устройстве РЗА может использоваться несколько МП, каждый из которых будет занят решением отдельного фрагмента общей задачи с целью обеспечения высокого быстродействия. Так, фирма ALSTOM, для этой цели использует один мощный МП, а фирма ABB использует от 4 до 10 МП.

Основными узлами цифрового устройства РЗА являются:

· входные U1-U4 и выходные KL1-KLj преобразователи сигналов,

· тракт аналого-цифрового преобразования U6, U7,

· кнопки управления и ввода информации от оператора SB1, SB2,

· дисплей H для отображения информации,

· блок питания U5.

· цифровые устройства, как правило, оснащаются и коммуникационным портом X1 для связи с другими устройствами.

Рис. 6.1. Структурная схема цифрового устройства защиты.

Основные функции вышеперечисленных узлов следующие:

Входные преобразователи U1-U4 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. Различают преобразователи входных сигналов аналоговые (UЗ, U4) и логические (U1, U2).

Аналоговые преобразователи входных сигналов (UЗ, U4) стремятся обеспечить линейную (или нелинейную, но с известным законом) передачу контролируемого сигнала во всем диапазоне его изменения.

Преобразователи логических сигналов U1, U2, наоборот, выполняют чувствительными только к узкой области диапазона возможного нахождения контролируемого сигнала.

Сигналы, контролируемые устройствами РЗА, имеют в общем случае разную физическую природу - токи, напряжения, температура и т. д. Чаще всего устройства РЗА работают с сигналами от источников переменного тока и напряжения, с традиционными номинальными уровнями: 5А, 100В. Такие уровни сигналов обеспечивают необходимую помехозащищенность, но совершенно неприемлемы для обработки в электронных схемах. При подключении микропроцессорных устройств к ТТ и ТН требуется приведение их сигналов к единому виду и диапазону изменения, приемлемому для обработки электронными узлами.

Наиболее часто входные согласующие преобразователи цифровых устройств выполняются на базе обычных 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 приемлемы для построения устройств РЗ, допускающих работу с погрешностью 2…5%.

Выходные релейные преобразователи KL1-KLj. Воздействия цифровых реле на защищаемый объект традиционно осуществляется в виде дискретных сигналов управления. При этом выходные цепи устройства защиты выполняются так, чтобы обеспечить гальваническую развязку коммутируемых цепей как между собой, так и относительно внутренних цепей цифровых реле. Выходные преобразователи должны обладать соответствующей коммутационной способностью.

В цифровых защитах выходными реле являютсяпромежуточные 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 РЗА 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 примерно 5…50 А. Отключающая способность сигнальных реле обычно не превышает 0,15 А.

Тракт аналого-цифрового преобразования включает мультиплексор U6 и собственно аналого-цифровой 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. Далее в микропроцессоре 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 БПот сети постоянного тока. Имеются также блоки питания от цепей переменного тока и напряжения.

Дисплеи и клавиатура позволяют оператору получить информацию от устройства, изменять режим его работы, вводить новую информацию. Надо отметить, что дисплей H и клавиатура SB1, SB2 в цифровых реле реализуются в максимально упрощенном виде: дисплей - цифробуквенный, одно- (или несколько) строчный, клавиатура - несколько кнопок. Для отображения информации в реле используются и отдельные светодиодные индикаторы, а также табло и даже графические экраны. Для простоты совокупность элементов визуального отображения информации в реле называется дисплеем.

Кнопки управления или клавиатура являются 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 РЗ, варьируются от двух до десяти. Чем больше кнопок в клавиатуре, тем удобнее и быстрее можно вводить информацию в устройство. Однако кнопки являются наиболее ненадежными элементами цифровой аппаратуры. Поэтому там, где пользоваться клавиатурой приходится крайне редко, стремятся использовать минимальное число кнопок. Минимальное число кнопок клавиатуры, позволяющее вводить любую информацию равно двум, оптимальное - 5: вверх, вниз, влево, вправо, ввод.