24. Микропроцессорная рз.
Эффективность цифровых устройств, используемых в схемах защиты и автоматики, может быть повышена, если сделать их программируемыми, т. е. способными изменять законы их функционирования при неизменной структуре технических средств. Высшим уровнем программируемых цифровых элементов являются микропроцессорные системы (МПС), обрабатывающие вводимые в них данные и управляющие внешними устройствами.
Уже в конце 1960-х годов на базе средств вычислительной техники (ЭВМ) были разработаны первые варианты программных защит, т. е. РЗ, алгоритм функционирования которых задавался программой, хранимой в запоминающем устройстве ЭВМ. В нашей стране подобные разработки проводились во ВНИИЭ, МЭИ, Коми филиале АН и Энергосетьпроекте.
По мере совершенствования технологии и схемотехники появилась возможность создания больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем, которые содержат 100 тысяч и более электронных элементов на одном полупроводниковом кристалле.
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.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА РЗ НА МИКРОПРОЦЕССОРАХ
Упрощенная функциональная блочная схема РЗ, построенная на МПС, приведена на рис. 22.1. Входным элементом, как и у всех полупроводниковых РЗ, являются промежуточные трансформаторы напряжения и тока, ПТН и ПТТ, назначение и функции которых рассмотрены в гл. 2.
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 t1, t2 ... tn с интервалом времени Т (рис. 22.2, а). В эти моменты времени фиксируются соответствующие им мгновенные значения, которые используются как дискретные значения синусоидального тока. Полученные таким образом дискретные сигналы через интервалы времени Т передаются последовательно в моменты времени t1, t2 ... tn 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 рис. 22.2, б. Момент выборки сигналов определяется мультивибратором, непрерывно с интервалом Г генерирующим тактовые импульсы.
Для получения с помощью дискретных сигналов, возможно большей точности представления действительной синусоиды интервал Т 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; устройства управления УУ, осуществляющего управление работой МП (АЛУ и СОЗУ) по заданной программе.
Структура МПС приведена на рис. 22.4.
С выхода МПС (см. рис. 22.1) 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).
Одновременно поступает информация на персональную ЭВМ (ПЭВМ), посредством которой осуществляется связь человек- машина.
На рис. 22.4 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.
Как уже отмечалось выше, ЭВМ осуществляют с введенными в них данными операции сложения и вычитания. Вместе с тем в современных МП универсального назначения операции умножения и деления выполнены аппаратно, т. е. в набор команд самого процессора входят и команды mul (умножения) и div (деления), благодаря чему отпадает необходимость в выполнении дополнительных операций и повышается надежность функционирования МП.
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.
Для обеспечения одновременности всех выборок на всех входах коммутатора могут быть предусмотрены устройства вы- борки-хранения данных, которые по команде устройства управления УАВВ обеспечивают одновременное считывание мгновенных параметров, поступающих от всех каналов ввода аналоговых данных.
Микропроцессорная система должна также содержать устройство дискретного ввода-вывода УДВВ для выдачи команды на отключение выключателя и приема сигналов от других устройств РЗ.
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).
Для микропроцессорной (цифровой) РЗ первостепенное значение имеет программа ее функционирования. Эта программа разрабатывается на основе алгоритмов действия данного вида РЗ и ее отдельных частей.
Алгоритмы ИО микропроцессорных устройств РЗ существенно отличаются от алгоритмов аналоговых устройств РЗ на электромеханической и полупроводниковой элементной базах. Если в аналоговых устройствах алгоритмы ИО основаны на том, что фиксируется факт нахождения измеряемой величины в зоне срабатывания РЗ, независимо от значения этой величины (например, ток больше тока срабатывания, напряжение меньше напряжения срабатывания и т. д.), то в микропроцессорном устройстве сначала вычисляется значение измеряемой величины, а затем уже происходит его сравнение с уставкой или характеристикой срабатывания устройства, имеющейся в памяти МП-системы.
После подачи питания на МП-систему в регистр адреса МП загружается первая команда, по которой управление передается управляющей команде. Последняя сначала тестирует МП, память, внешние устройства, затем переписывает основную программу в ОЗУ и передает ей управление. После этого начинается непрерывное выполнение функций РЗ или работа основной программы в режиме реального времени (РВ).
Основная программа в режиме РВ производит непрерывно следующие действия:
- вводит в оперативную память МП-системы мгновенные значения входных токов и напряжений, преобразованные в цифровую форму с помощью АЦП;
- производит арифметические и логические операции над введенными в ОЗУ числами в соответствии с принятыми алгоритмами РЗ;
- осуществляет сравнение преобразованных чисел с уставкой пускового органа (ПО), если он предусмотрен; если сравнение показывает, что ПО сработал, программа переходит к выполнению алгоритма измерительного органа (ИО), иначе говоря, все действия программы начинаются сначала и она производит необходимые арифметические и логические операции в соответствии с алгоритмом;
- в программе ИО также производятся необходимые арифметические и логические операции в соответствии с его алгоритмом;
- осуществляется сравнение преобразованных чисел с уставкой ИО;
- если сравнение показывает, что ИО сработал, программа запускает орган выдержки времени (ОВВ), если он предусмотрен, или выдает с помощью устройства УДВВ сигнал срабатывания РЗ; иначе все действия программы начинаются сначала;
- после запуска ОВВ проверяется не вернулся ли ПО. Если ПО вернулся, накопленная выдержка времени сбрасывается, и все действия программы начинаются сначала;
- осуществляется сравнение выдержки времени с уставкой, и, если ПО и ИО не вернулись, а истекшее время превышает или равно уставке, программа формирует сигнал срабатывания РЗ, как указано выше.
Перечисленные действия выполняются циклически непрерывно до тех пор, пока не возникает необходимость либо отключить РЗ (или перевести на сигнал), либо изменить ее уставки. В этом случае нажатием комбинации клавиш на клавиатуре МП-система переводится в один из этих режимов. Если, например, требуется изменение уставок, то нажатие определенной комбинации клавиш с помощью управляющей программы вызывает программу ввода (модификации) уставок, которая с помощью дисплея контролирует правильность вводимых уставок, а затем и правильность введенных данных.
Если происходит сбой системы по любой причине (кратковременное исчезновение напряжения питания, "зацикливание" программы и т. п.), то производится рестарт (перезапуск) системы, т. е. автоматический перевод МП на выполнение программы с нулевого адреса, т. е. выполнение всех начальных операций, которые были описаны выше (тестирование всех устройств МП-системы, перезапись основной программы в ОЗУ и т. д.).
В отличие от схем РЗ на электромеханической или микроэлектронной элементной базе в МП-системах информация о токах и напряжениях защищаемого присоединения должна вводиться в виде последовательности чисел (выборок), соответствующих мгновенным значениям токов и напряжений в моменты выборок.