книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

ции выполняются лишь на последнем интервале. Поэтому последний ин­ тервал дискретизации сигналов при наименьшей его длительности ис­ пользуется для выполнения основной программы защиты на 47%, тогда как остальные —лишь на 22%.

Для устранения такой ситуации предусмотрена отдельная подпро­ грамма счета выборок. Она позволяет выбрать для каждого канала защиты свой момент начала отсчета периода входных сигналов, а следо­ вательно, и момент его окончания (рис. 4.26). В этом случае загрузка МП-системы основной программой защиты составит не более 25 % всего ресурса времени. При выполнении программы КЗГ остается большой ре­ зерв времени. Поэтому возможность распараллеливания алгоритмов не использовалась, что несколько упростило программирование. Это свиде­ тельствует о возможности реализации с помощью созданной специали­ зированной МП-системы значительно большего объема прикладных программ и об эффективности использованных решений для реализации программ РЗ.

Устройство КЗГ выполнено в корпусе с размерами 510x310x220 мм (рис. 4.27). Все функциональные узлы системы выполнены в виде от­ дельных блоков. Связь между блоками осуществляется через коммута­ ционные разъемы. На отдельной плите, скомпонованной вместе с лице­ вой панелью в отдельный блок, выполнен системный анализатор. В об­ разце, предназначенном для эксплуатации, на его место может устанав­ ливаться специальная заглушка. Большинство уставок защиты изменя-

Рис. 4.27. Внешний вид МПРЗ КЗГ

141

ется дискретно (см. табл. 4.2) при помощи перемычек ППЗУ. Изменя­ емая плавно уставка по обратной активной мощности задается потен­ циометром, расположенным на плате входного аналогового блока. На лицевую панель устройства вынесены светодиоды блока индикации, кнопки перезапуска программы и диагностики. Блок питания подклю­ чается к трехфазному источнику электроэнергии с номинальным напря­ жением 220 или 380 В с допустимыми отклонениями +15-г -20%. Он содержит трехстержневой трансформатор и три независимых модуля, каждый из которых выполняет преобразование и стабилизацию напря­ жения в заданных пределах, а также формирует сигнал ’’нарушение пи­ тания”, выдаваемый на светодиоды собственной индикации и в блок пре­ рывания МП-системы.

Испытаниям подвергались макетные образцы КЗГ. Платы всех образ­ цов прошли настройку и испытания на отладочном комплексе. При этом проверялись: метрологические характеристики АЦП; правильность функционирования логической части защиты; значения уставок, приве­ денные в табл. 4.2; вольт-амперные характеристики реле мощности, а также зависимость мощности срабатывания от угла нагрузки; зависи­ мости времени срабатывания отдельных каналов защиты от значений контролируемых параметров входных сигналов; зависимость тока сра­ батывания дифференциальной защиты от сквозного тока; зависимость характеристик защиты от частоты входных сигналов.

Исследование характеристик отдельных каналов комплексной защи­ ты на макетном образце устройства не представляет трудностей. Про­ грамма защиты в нем хранится в ОЗУ, и с помощью автоматизирован­ ного комплекса средств проектирования МПС в нее можно вмешивать­ ся. Это дает возможность отключить все каналы защиты, кроме прове­ ряемого, и снять его характеристики. В образце защиты с программой, занесенной в ПЗУ, этого сделать нельзя, поэтому при имитации анор­ мальных режимов работы генератора возможно срабатывание несколь­ ких каналов. Чтобы исключить такую ситуацию или правильно в ней разобраться, необходимо четко представлять алгоритм функциониро­ вания защиты и все значения уставок.

Кроме испытаний, проведенных на отладочном комплексе, образцы защиты прошли обычные стендовые испытания. Основные результаты, полученные при испытаниях, можно свести к следующему. Логика вза­ имодействия различных каналов комплексной защиты выполняется пра­ вильно. Защита обеспечивает все значения уставок, приведенные в табл. 4.2, с относительной погрешностью, не превышающей 3,2% по зна­ чениям параметров, контролируемых защитой, и 4% по времени сраба­ тывания. Характеристики отдельных каналов защиты отличаются от рас­ четных не более чем на 4,8%. Одноименные характеристики, снятые на различных образцах устройства защиты, отличаются друг от друга не бо­ лее чем на 3%. Это отличие обусловлено платой аналоговых сигналов

142

(перестановка других плат с одного образца защиты на другой к изме­ нению характеристик не приводит). Характеристики защиты, снятые с помощью отладочного комплекса, более точно совпадают с расчетны­ ми, чем характеристики, полученные при натурных испытаниях. Это можно объяснить исключением при программных испытаниях допол­ нительных погрешностей, вносимых трансформаторами, частотными фильтрами и масштабирующими усилителями аналогового блока, а так­ же погрешностей ручного задания уровней входных сигналов и схем их измерения. Время срабатывания дифференциальной защиты равно од­ ному периоду входных сигналов. Максимальная абсолютная погреш­ ность времени срабатывания других каналов защиты достигает одного периода.

4.4.ПОВЫШЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ МПРЗ С ПРОЦЕДУРНЫМ

ПРОГРАММИ РОВАН ИЕМ

Внастоящее время использование МП-техники в РЗ еще не вышло из стадии экспериментальных исследований и опытной эксплуатации. Внедряются отдельные образцы МПРЗ, реализующие, как правило, на одной-двух мини- и микроЭВМ отдельные функции защиты. Принципы

иалгоритмы, используемые для выполнения функций РЗ с помощью процедурного программирования, те же, что и в системах РЗ с аналого­ вой обработкой информации: непрерывное измерение и вычисление интегральных (среднее, действующее значение, фазовые отношения) или экстремальных (амплитуда) параметров токов и напряжений защи­ щаемого объекта; несложная логика (арифметическая обработка пара­ метров) , позволяющая однозначно идентифицировать состояния объек­

реализуется принцип параллельной, распределенной обработки информа­ ции о состоянии объекта. В ряде применяемых МПРЗ один процессор или одна микроЭВМ осуществляет функции нескольких защит, выпол­ няя последовательную обработку данных. В известной степени мик­ роЭВМ в этом случае - это общая измерительная часть нескольких РЗ. Такое решение снижает надежность системы РЗ, хотя и повышает степень использования вычислительной мощности ЭВМ. Тенденция развития МПтехники - появление однокристальных ЭВМ, повышение быстродей­ ствия и объема ЗУ, снижение их стоимости - позволяет предположить, что в системах МПРЗ с . процедурной организацией будут получать все большее развитие распараллеливание и специализация обработки ин­ формации.

С учетом специфики РЗ одним из важнейших требований, предъяв­ ляемых к МП-системам, которые реализуют функции защиты, являет­

143

ся высокое быстродействие. Именно ограниченное быстродействие яв­ ляется пока серьезным препятствием на пути внедрения МПРЗ с проце­ дурным программированием. Могут быть испоцьзованы следующие пу­ ти преодоления этого препятствия. Первый путь связан с переходом при выборе МП на биполярную технологию (И2Л, ТТЛШ, ЭСЛ) производ­ ства БИС. Второй путь предусматривает распараллеливание исходного алгоритма защиты и распределение его между несколькими МП, чис-. ло которых определяется глубиной параллелизма. Основанные на таком подходе мультимикропроцессорные и многомашинные системы обеспе­ чивают существенное повышение быстродействия благодаря реализу­ емому переходу от модели одного вычислителя к модели коллектива вычислителей [13]. Третий путь повышения быстродействия МПРЗ основан на рациональной организации вычислительного процесса при ис­ пользовании одного процессора (ЭВМ).

Поскольку первый из названных путей очевиден и освещен в § 4.3, а пример использования второго рассмотрен в § 4.2, остановимся на при­ мере реализации третьего пути повышения быстродействия МПРЗ, ко­ торый дает существенный выигрыш в некоторых случаях, например при защите многоконцевых электроэнергетических объектов, характеризу­ ющихся большим объемом вводимой в ЭВМ РЗ информации, а также при реализации сложных алгоритмов защиты, требующих значительного времени для обработки данных и принятия решения о состоянии конт­

использование МП именно в сложных защитах, то рассмотренный ниже способ повышения быстродействия МПРЗ без увеличения вычислитель­ ной мощности МП, на котором реализуется защита, оказывается весь­ ма перспективным.

Перед тем как перейти к рассмотрению этого способа, отметим неко­ торые характерные черты классической организации вычислительного процесса в МПРЗ на основе одной микроЭВМ, использующей проце­ дурный способ программирования. В таких МПРЗ, как отмечалось вы­ ше, сначала измеряются контролируемые параметры в аналоговой форме с помощью МП, затем предварительно обрабатываются измерен­ ные величины (фильтрация, масштабирование, выделение информатив­ ной составляющей измеренного параметра и т.д.). После этого осуще­ ствляются преобразование предварительно обработанных измеренных величин с заданной частотой (шагом квантования) в цифровую форму, вторичная обработка полученной информации по соответствующему алгоритму в ЭВМ и принятие машиной решения о наличии или отсут­ ствии КЗ на защищаемом объекте. На рис. 4.28 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип реализации описанного алго­ ритма.

В общем случае время преобразования порции предварительно обра­ ботанной информации о контролируемом параметре на одном шаге

144

КЗ

( £ п ) т а х — 2 t 5B + 2 t a

Рис. 4.28. Временные диаграммы, иллюстрирующие традиционный способ органи­ зации вычислительного процесса в МГТРЗ

квантования складывается из следующих составляющих:

где tKB — интервал квантования параметра, преобразуемого из анало­ говой формы в цифровую; tBB —время ввода информации о контро­ лируемом параметре в память данных ЭВМ; Га —время анализа инфор­ мации о контролируемом параметре на одном шаге квантования и при­ нятия решения о состоянии объекта защиты.

Наличие слагаемого tKB в выражении (4.3) обусловлено тем, что если КЗ на объекте защиты возникает внутри текущего интервала кванто­ вания (ввода первой порции данных в ОЗУ ЭВМ), то соответствующая информация о КЗ начинает поступать для обработки в ЭВМ только с на­ чалом последующего интервала квантования (на втором шаге кванто­ вания) . При этом будет иметь место задержка, максимальное значение которой приближается к длительности интервала tKB. Очевидно, что для реализации описанного алгоритма преобразования информации зна-

145

чение Гкв должно выбираться из условия

т.е. каждый очередной опрос данных может быть осуществлен только после ввода и обработки предыдущей порции данных. Сопоставляя вы­ ражения (4.3) и (4.4), получаем формулу для максимального значения времени tn

Сокращение времени t n (а значит, и времени выявления КЗ) за счет уменьшения времени квантования (увеличения частоты опроса) непри­ емлемо, поскольку в этом случае не хватит времени либо для ввода в

память ЭВМ соответствующей порции информации, либо для обработки из-за ограниченного быстродействия процессора. Ниже рассмотрен спо­ соб сокращения времени Гп, а значит, и времени выявления КЗ с по­ мощью МПРЗ, без увеличения быстродействия МП. Суть этого способа заключается в том, что на каждом временном интервале между после­ дующими преобразованиями измеренных величин в цифровую форму с определенной частотой квантования запоминаются соответствующие значения контролируемых параметров от всех ИП в одном блоке памя­ ти данных (ОЗУ) микроЭВМ, а информация, которая была записана на предыдущем интервале времени в другом блоке памяти данных мик­ роЭВМ, обрабатывается (с принятием решения о состоянии 03) одно­ временно с запоминанием контролируемых'параметров в первом бло­ ке памяти данных. При этом интервал времени между последующими преобразованиями определяется как максимальный из интервалов вре­ мени запоминания информации, полученной на одном шаге квантования, и времени ее обработки и принятия решения о состоянии объекта защи­ ты. На рис. 4.29 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие этот способ повышения быстродействия МПРЗ.

Из рис. 4.29 видно, что измеренные в аналоговой форме с помощью ИП контролируемые параметры дискретизируют (диаграмма 1) с шагом квантования / кв, равным большему из интервалов времени t BB и fa. Здесь следует отметить, что в многоконцевых объектах защиты с боль­ шим числом ИП, например в распределительных сетях автономных ЭЭС, объем вводимой в микроЭВМ информации становится настолько значи­ тельным, что время ее ввода оказывается соизмеримым, а часто и боль­ ше времени Га ее обработки ЭВМ. Поэтому на рис. 4.29 принято Гкв = = tBB (в случае же tBB < /а, не показанном на диаграммах, цепь рассуж­ дений аналогична).

После получения первой дискреты контролируемого параметра в момент времени t x (диаграмма 1) соответствующая информация запи-

146

\

Рис. 4.29. Временные диаграммы, иллюстрирующие способ организации вычисли­ тельного процесса в МПРЗ повышенного быстродействия

сывается в первый блок памяти данных ЭВМ (диаграмма 2), причем интервал времени tBB ввода (записи) в память равен интервалу t кв квантования. Как только первая порция данных оказывается записан­ ной в первом блоке памяти данных микроЭВМ, в момент t 2 начинается ее обработка процессором ЭВМ (диаграмма 4) и одновременно с полу­ чением второй дискреты начинается запись во второй блок памяти дан­ ных микроЭВМ (диаграмма 3). Еще до окончания этой записи (поскольку ^вв > fa) завершается обработка процессором по заданному алго­ ритму защиты первой порции данных, и микроЭВМ выдает первое реше­ ние о состоянии 03 (диаграмма 4). В момент f3 после завершения запи­ си второй порции данных во второй блок памяти микроЭВМ начинает-

147

Рис. 4.30. Структурная схема МПРЗ повышенного быстродействия

ся ее обработка процессором с последующим принятием решения (диаг­ рамма 4) и одновременно запись третьей порции данных снова в пер­ вый блок памяти данных микроЭВМ (диаграмма 2). Далее процесс повторяется.

Таким образом, поочередная запись вводимых данных в разные бло­ ки памяти микроЭВМ позволяет сократить интервал квантования (опро­ са) с величины tBB + fa до fBB. При этом если в интервале времени квантования возникает КЗ, то время tn преобразования данных, несу­ щих информацию о КЗ, становится равным

что по сравнению со значением соответствующего параметра в случае традиционной организации процесса преобразования и обработки ин­ формации в микроЭВМ [см. (4.5) ] означает сокращение времени выяв­ ления КЗ на величину Га (или на величину tBB, если tB > tBB, а в общем случае на меньшую из этих величин). Это означает, что описанный способ особенно эффективен при реализации сложных алгоритмов МПРЗ с большим временем обработки данных и принятия решения fa, а также при защите многоконцевых объектов, т.е. там, где велико значение tBB.

Структурная схема устройства, реализующего описанный алгоритм, приведена на рис. 4.30. Устройство содержит ИП контролируемых пара­

148

метров, блоки УСО, которые предварительно обрабатывают аналого­ вый сигнал (фильтрация, масштабирование и др.) ,АЦП, устройство вво­ да (опроса АЦП) информации с ИП в микроЭВМ, коммутатор, два бло­ ка памяти данных микроЭВМ (ОЗУ1 и ОЗУ2), МП, управляющую па­ мять микроЭВМ {ПЗУ с записанной программой по заданному алгорит­ му защиты), устройство вывода информации из микроЭВМ и выходной орган ВО.

В момент включения устройства коммутатор подключает к устрой­ ству ввода информации первый блок памяти данных ОЗУ1 и выдает сигнал на все АЦП. В результате этого АЦП начинают процесс преобра­ зования аналоговой информации, поступающей на входы АЦП с соот­ ветствующих ИП через блоки УСО. После завершения преобразования аналоговой информации в цифровую форму устройство ввода осуще­ ствляет поочередный ввод этой информации с каждого АЦП в блок па­ мяти данных ОЗУ1. В момент окончания процесса записи данных в ОЗУ1 другой блок памяти ОЗУ2 не используется процессором, так как на первом интервал# дискретизации он не содержит информации о зна­ чениях контролируемых параметров, а в других случаях (вследствие того, что tBB > tB) информация, находящаяся в ОЗУ2, к этому момен­ ту уже обработана. Следовательно, блок памяти ОЗУ2 готов к записи в него данных, характеризующих новое состояние объекта защиты, а МП готов к обработке информации, записанной в ОЗУ1. Поэтому, как толь­ ко устройство ввода запишет информацию со всех АЦП в ОЗУ1, оно вырабатывает поступающий на коммутатор сигнал, по которому комму­ татор подключает блок ОЗУ2 к устройству ввода, а блок ОЗУ1 —к МП. После этого МП выполняет программу, реализующую заданный ал­ горитм защиты, и при выявлении КЗ выдает команду через устройство вывода на выходной орган РЗ, а устройство ввода выдает управляющий сигнал на АЦП. Далее процесс повторяется. Таким образом обеспечива­ ется уменьшение периода квантования контролируемых параметров и как следствие —сокращение времени выявления КЗ.

Использование описанного способа повышения быстродействия МПРЗ может оказаться полезным, так как не всегда возможен и эко­ номически целесообразен переход к сложным реализациям МПРЗ, на­ пример, на базе многомашинных вычислительных комплексов или мультимикропроцессорных вычислительных систем, требующих при разработке существенно более высокой квалификации проектировщи­ ка ВТ.

Дальнейшее развитие техники МПРЗ будет, по всей видимости, идти по пути использования многофункциональных аппаратных и програм­ мных средств и, в частности, по пути совмещения принципов процедур­ ного программирования и аппаратной реализации некоторых функ­ ций, например функций коммутации структур РЗ или отдельных функ­ циональных узлов по заданной программе. Такой путь реализации гиб­ ких РЗ рассматривается в гл. 5.

149

Г л а в а п я т а я

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ РЗ С ПРОЦЕДУРНО-АППАРАТНЫМ ПРОГРАММИРОВАНИЕМ СТРУКТУРЫ

5.1.ПРЕДПОСЫЛКИ ПОСТРОЕНИЯ РЗ АВТОНОМНЫХ ЭЭС

СПРОЦЕДУРНО-АППАРАТНЫМ ПРОГРАММИРОВАНИЕМ СТРУКТУРЫ

Впоследние годы основные усилия разработчиков РЗ объединенных ЭЭС направлялись на реализацию алгоритмов РЗ с использованием тра­ диционных средств ВТ с процедурной организацией вычислений на од­ ном вычислителе. Исследования показали [1] целесообразность в ряде случаев указанного пути для объединенных ЭЭС. Однако при этом оче­ видной стала не всегда высокая эффективность такого подхода к исполь­ зованию ВТ для реализации функций РЗ в автономных ЭЭС. Основные проблемы, возникшие в результате попыток переложения известных ал­ горитмов с традиционных (электромеханических и полупроводнико­ вых) устройств РЗ на универсальные и управляющие ЭВМ, свелись к следующему:

1)принцип процедурного последовательного выполнения команд, заложенный в большинстве ЭВМ, серийно выпускаемых в настоящее время, не позволяет цифровым РЗ, реализованным на базе таких ЭВМ, не только превысить, но и приблизиться по быстродействию к показа­ телям традиционных средств РЗ на базе аналоговых элементов;

2)попытки повышения быстродействия цифровых защит путем соз­ дания вычислительных ММС на базе серийных ЭВМ за счет распарал­ леливания исходных алгоритмов защиты обычно эффективны в объ­ единенных ЭЭС, однако часто приводят к усложнению системы защиты, снижению ее надежности и заметному повышению стоимости [33]. Кроме того, в условиях жестких ограничений по массе и габаритам уст­ ройств защиты этот путь неприемлем для автономных ЭЭС;

3) универсальные ЭВМ часто оказываются незагруженными, т.е. их большие вычислительные возможности не используются полностью из-за простых алгоритмов обработки сигналов, получаемых с 03 при реа­ лизации известных (традиционных) принципов выявления КЗ;

4) при реализации универсальных (многофункциональных) защит для контроля нескольких защищаемых зон и выявления КЗ различных видов процедурная реализация алгоритмов нескольких защит сводится к последовательному просчету на ЭВМ ряда программ, что также суще­ ственно снижает быстродействие таких защит.

Переход от универсальных ЭВМ и управляющих мини-ЭВМ к универ­ сальным микроЭВМ снимает некоторые из указанных выше проблем, например вторую и четвертую,но ряд других, например первая и третья, остаются нерешенными. Помимо перечисленных технических проблем существует не менее важная проблема психологической перестройки

150