8 Лекция. Аппаратная часть цифровых устройств защиты, особенности обработки информации в микропроцессорных терминалах

         Содержание лекции: рассматривается функциональная схема РЗ на микропроцессорах.

          Цель лекции: изучить структурную схему микропроцессорной защиты и принципы выполнения цифровых защит.

     

         Функционирование измерительной и логической частей РЗ может быть представлено в математическом виде системой аналитических соотношений, описывающих процесс принятия решения о срабатывании или несрабатывании тех или иных вхо­дящих в них органов РЗ и являющихся, таким образом, их алго­ритмом функционирования. Это позволяет рассматривать ор­ганы РЗ как систему арифметико-логического преобразования информации, содержащейся в воздействующих (входных и вспо­могательных) величинах, которая может быть реализована в цифровом виде. При использовании МП алгоритм функциони­рования РЗ задается программой, хранящейся в памяти микро­процессора. Для изменения алгоритма достаточно изменить программу, не меняя элементы РЗ и связи между ними. Выпол­няемые таким образом РЗ называются программными, или микропроцессорными. Упрощенная функциональная блочная схема РЗ, построен­ная на МПС, приведена на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1- Структурная схема микропроцессорной защиты:

ПТТ, ПТН - промежуточные трансформаторы тока и напряжения; АЦП —         аналогово-цифровые преобразователи; ЧФ - частотный фильтр; МПС - микропро­цессорная система; ДАЛ - цифроаналоговый преобразователь; СУ - сигналь­ное устройство; РАС -регистрация аварийных событий; ПЭВМ - персональная ЭВМ; I - на отключение выключателей; II — к оперативному персоналу; III - к релейному персоналу

 

          Входным элементом, как и у всех полупроводниковых РЗ, являются промежуточные транс­форматоры напряжения и тока, ПТН и ПТТ.

Выходной сигнал с промежуточных трансформаторов поступа­ет на частотные фильтры ЧФ, которые пропускают составляю­щие тока и напряжения 50 Гц и не пропускают высокочастот­ные гармоники, являющиеся помехами, искажающими сину­соиду тока и напряжения.

          Аналоговые сигналы, полученные от измерительных транс­форматоров в виде синусоидальных токов и напряжений, после преобразования в промежуточных трансформаторах ПТН и ПТТ и частотных фильтрах ЧФ необходимо превратить в дискрет­ные, поскольку их обработка производится в МПС, построенных на цифровых микросхемах. Поэтому аналоговый выходной сиг­нал частотных фильтров ЧФ подается в устройство АЦП, пред­усмотренное для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую). В АЦП измерение значения синусоидального тока (напряжения) происходит в определенные моменты времени t_l t₂ ... t_n с интервалом времени t (рисунок 8.2, а).

 

а- дискретизация по времени; б) – дискретизация по параметру

Рисунок 8.2- Характеристика входной величины ( тка или напряжения)

 

          В эти моменты вре­мени фиксируются соответствующие им мгновенные значения, которые используются как дискретные значения синусоидаль­ного тока. Полученные таким образом дискретные сигналы через интервалы времени t передаются последовательно в мо­менты времени t₁, t₂... t_n на ввод МПС в виде двоичного цифро­вого кода (1, когда есть импульс тока и 0, когда сигнал отсутст­вует). Эта операция часто называется выборкой. Очень важно чтобы значения измеряемых дискретных значений тока и на­пряжения точно соответствовали действительным значениям синусоидам этих величин. Кроме дискретизации по времени предусмотрена дискретизация по значению входной величины (тока или напряжения), как показано на рисунке 8.2, б. Момент вы­борки сигналов определяется мультивибратором, непрерывно с интервалом t генерирующим тактовые импульсы.

          Для получения с помощью дискретных сигналов, возможно большей точности представления действительной синусоиды интервал t нужно выбирать, возможно, меньше. Однако сле­дует иметь в виду, что при последовательной передаче сигна­лов это замедляет процесс обработки и ухудшает быстродейст­вие РЗ.

           Сигнал с выхода АЦП поступает в устройство обработки ин­формации, каким является МПС. Основным элементом цифро­вой РЗ является МП, схема которого позволяет использовать его в качестве вычислительного устройства, производящего арифметические и логические операции, необходимые для выполнения им функций РЗ, представленных в виде алгорит­мов действия ее измерительных и логических органов.

          Микропроцессор состоит из трех основных частей:

арифметико-логического устройства АЛУ, реализующего арифметические операции (сложение, вычитание и др.), логи­ческие операции (И, ИЛИ, НЕ);

сверхоперативного запоминающего устройства СОЗУ, состо­ящего из набора регистров, обеспечивающих промежуточное хранение данных до завершения операций, проводимых в МП; ра­ботой МП (АЛУ и СОЗУ) по заданной программе. Элементы МП связаны между собой информационными ши­нами, представляющими из себя группу линий передачи ин­формации, объединенных общим функциональным признаком (шины данных, адресов и управления). Для выполнения функ­ций какой-либо РЗ, МП дополняется внешними устройствами памяти, образуя микропроцессорную систему (МПС).

          Структура МПС приведена на рисунке 8.3. С выхода МПС (см. рисунок 8.1) цифровой сигнал поступает на цифроаналоговый преобразователь ПАП, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый, поступающий на выходное про­межуточное реле, действующее на отключение выключателя. Одновременно приводится в действие устройство сигнализации СУ, фиксирующее срабатывание РЗ, и передается соответствующая аварийная информация для записи в регистраторе ава­рийных событий (РАС).

 

              

Рисунок 8.3- Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы, выполняющей функции релейной защиты.

 

          Одновременно поступает информация на персональную ЭВМ (ПЭВМ), посредством которой осуществляется связь человек -машина.

           На рисунке 8.3 приведена упрощенная структурная схема МП-си­стемы, выполняющей функции РЗ. Система состоит из двух час­тей: МП и внешних устройств. К внешним устройствам МПС относятся:

          устройства памяти - оперативное запоминающее устройство ОЗУ и постоянное запоминающее устройство ПЗУ;

         устройства ввода и вывода аналоговой УАВВ и дискретной УДВВ информации;

          средства общения человека с МПС - минидисплей и клавиа­тура для ручного ввода управляющих команд.

           Все внешние устройства связаны друг с другом и с МП общи­ми шинами: данных, адресов и управления. Соединение внеш­ней части указанных шин с шинами МП осуществлена через специальные буферные устройства.

Как уже отмечалось, главным элементом МПС является сам микропроцессор (или микропроцессоры), но поскольку его струк­тура была кратко пояснена выше, то здесь рассматриваются только виды регистров и их назначение.

          Важной частью МПС являются запоминающие устройства: ПЗУ и ОЗУ. Постоянное запоминающее устройство - ПЗУ слу­жит для хранения управляющей программы, в которой записа­ны последовательные команды, согласно которым должно дей­ствовать устройство управления микропроцессора - УУ, и вто­рой основной программы, определяющей функционирование устройства РЗ. Эти программы остаются неизменными, пока ос­таются неизменными функции данной РЗ. В связи с этим запи­санная в ПЗУ информация должна сохраняться даже при ис­чезновении электропитания.

         Оперативное запоминающее устройство – ОЗУ, необходимо для хранения данных, поступающих для обработки в МП, и ре­зультатов этой обработки и выборки из основной программы, хранящейся в ПЗУ.

          Помимо этих устройств имеется сверхоперативная память -запоминающие устройства в МП в виде регистров общего назна­чения (РОН): они подразделяются на регистры команд и регист­ры накопителей (аккумуляторов). Регистр команд хранит ту команду, которую МП должен выполнить вслед за текущей. Ак­кумулятор хранит данные непосредственно перед входом в МП и на выходе. Регистры ускоряют поступление данных для об­работки, т. е. уменьшают общее время действия МП-системы.

         Для преобразования аналоговых значений токов и напряже­ний в цифровую форму и обратно в МПС предусмотрено устрой­ство аналогового ввода-вывода информации (УАВВ), принцип действия которого рассмотрен выше. Типовое УАВВ обеспечи­вает ввод в МПС до 16 аналоговых сигналов и вывод одного-двух сигналов в аналоговой форме. Для этого УАВВ содержит один аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и один-два цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), а также коммута­тор для ввода с помощью одного АЦП до 16 аналоговых сигна­лов и вывод одного-двух сигналов в аналоговой форме. Для этого типовое устройство УАВВ содержит один аналого-цифро­вой преобразователь (АЦП) и один-два цифро-аналоговых преоб­разователя (ЦАП), а также коммутатор для ввода с помощью одного АЦП до 16 аналоговых сигналов токов и напряжений.

          Микропроцессорная система должна также содержать устрой­ство дискретного ввода-вывода УДВВ для выдачи команды на отключение выключателя и приема сигналов от других уст­ройств. Для ввода уставок РЗ и осуществления контроля за ними в МП-системе предусмотрена упрощенная клавиатура, содержа­щая небольшое число цифровых и буквенных клавиш, а также минидисплей, рассчитанный на несколько строк, и порядка 20 знакомест в строке. С помощью дисплея осуществляется визуальный контроль при вводе уставок РЗ, а также оценива­ются входные и выходные       данные в процессе функционирова­ния системы.

         Перечисленные внешние устройства имеют связи со всеми шинами МП-системы, которая содержит часто средства для связи с персональной ЭВМ и с принтером для вывода на печать протокола работы РЗ или результатов ее периодической провер­ки (на схеме не показаны).

         Группа элементов памяти каждого вида памяти составляет ячейку или слово памяти, содержащее число элементов, крат­ное 8 (8, 16, 32 и т. д.).     

          Слово из восьми двоичных разрядов назы­вается байтом. В зависимости от размера ячейки памяти, МПС называют 8, 16 или 32-битными или 1-4 байтными. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Совокупность нулей и единиц, находящихся в элементах памяти, представля­ет собой содержимое ячейки памяти.

        

Список литературы 

1. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем./ Под ред. А.Ф. Дьякова.- М.: Изд. МЭИ, 2002.- 295 с.

2. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. "Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов".- М.: Энергоатомиздат, 1998.

4. Шабад М.А. Расчеты РЗ и А распределительных сетей: Монография.- СПб.: ПЭИПК,2003.- 350с.

5. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем: - М.: Энергия, 1992, - 560

6. Авербух А.М. Релейная защита в задачах с решениями и примерами. - М.: Энергия, 1975. - 416 с.

7. Руководящие указания по релейной защите. Вып.12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. - М.: Энергия, 1980. -88 с.

8. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 7. Дистанционная защита линий 35-330 кВ. - М.: Энергия, 1966.