книги / Микропроцессорная система релейной защиты энергоблоков
..pdfи т. д.) с частотой в диапазоне 45—53 Гц; C(t) — апериодическая составляющая.
Сигналы A(t) и x(t) формируются цифро-аналоговым преобра зователем (ЦАП) из последовательности цифровых отсчетов, цик лически считываемых из таблицы, записанной в перепрограмми руемое ПЗУ. Сигнал C(t) формируется аппаратно. Умножение A(t) и х (t) выполняется умножающим ЦАП, а сложение с аперио дической составляющей — сумматором на операционном усилителе. Выполнение арифметических операций аппаратным способом сни зило требования к производительности используемого в СИМ про цессора. Это позволило использовать МПК К580, имеющий широ кий набор функциональных БИС. Применение последних позво лило выполнить СИМ из трех типовых элементов замены (ТЭЗ) (рис. 3.9): ЦП, запоминающего устройства (ЗУ), формирователя тестовых сигналов (ФТС). В состав ТЭЗ ЦП входят центральный процессорный элемент (ЦПЭ), блок приоритетных прерываний (БП П ), контроллер скорости обмена (КСО), ИБ с УВМ и таймер. ТЭЗ ЗУ состоит из селектора адреса СА, ОЗУ и ПЗУ, хранящего
Рис. 3.9. Функциональная схема СИМ
батареи (АБ). Данный способ применяется на электростанциях для питания АСУТП энергоблоков и принят за основу при орга низации ПЭ МПРЗ. В нормальном режиме система получает пита ние от ТСН 0,4 кВ шин ответственных потребителей.
Ввиду малого потребления комплекса (около 1,5 кВт) питание однофазное. Электроэнергия переменного тока поступает на 12 одно типных стабилизированных блоков питания (БПС) промышленного производства.
Восемь блоков БПС предназначены для питания микроЭВМ, выполняющих функции РЗ. Три блока БПС служат для питания подсистемы УСО. Набор плат, содержащих аналоговую часть си стемы защит, получает энергию от БПС через линейные стабили заторы в целях улучшения статических и динамических парамет ров поступающего напряжения. Применение встроенной АБ ограни чено техническими (необходимость фильтрации выделяемых газов) и экономическими (высокая стоимость таких батарей) факторами. Напряжение АБ поступает на двенадцать однотипных преобразо вателей постоянного напряжения (ППН), образующих резервную подпитку БПС. В соответствии с функциональной схемой (рис. 3.10) ППН, состоящий из фильтра входного (ФВ), инвертора (Инв), выпрямителей В 1 —ВЗ, через сглаживающие фильтры ФС1—ФСЗ и диодные развязки подключен на входы импульсных стабилиза торов (ИС) постоянного напряжения ИС1— ИСЗ и линейного ста билизатора (ЛС)* элемента управления ЭУ БПС.
При снижении или исчезновении переменного напряжения энер гия в систему поступает от АБ через ППН и ИС. При этом невы сокие динамические свойства ИС, как показали исследования, пре пятствуют генерации короткоимпульсных помех значительной вели чины при коммутации переменного напряжения и возможных не благоприятных сочетаниях питающих напряжение.
В настоящее время лучшие технико-экономические показатели обеспечивают силовые транзисторные преобразователи энергии, ра ботающие в ключевом режиме [83]. Поэтому схемная реализация предложенной структуры основана на использовании импульсных преобразовательных устройств: конверторов и ИС. Наиболее слож ным устройством ПЭ являются ИС. В качестве силовой демодуляционной части принята схема с последовательным соединением тран зистора, работающего в режиме ключа, дросселя и нагрузки. Дру гие варианты силовой части ИС не находят практического приме нения вследствие худших массогабаритных показателей. Функцио нирование ИС заключается в преобразовании пульсирующего тока, потребляемого от источника питания, в постоянное выходное напря жение. В момент включения транзистора напряжение питания по ступает в нагрузку через дроссель. В определенный момент време ни схема управления (СУ) отключает транзистор. Энергия, накоп
им
Рис. 3.10. Функциональная схема подсистемы бесперебойного электропитания
ленная в дросселе, замыкается в контуре, образованном дросселем, нагрузкой и диодом, выполняющим демпфирование.
Эта схема имеет существенный недостаток. В квазиустановившемся режиме в момент замыкания ключа напряжение питания через насыщенный транзистор оказывается приложенным к диоду. Вследствие инерционных явлений в (р—п)-переходе, вызванных рассасыванием неосновных носителей зарядов, он продолжает оста ваться открытым определенное время. Возникающие при этом ком мутационные токовые перегрузки снижают надежность и коэффи циент полезного действия устройства, способствуют возрастанию уровня пульсаций и помех на выходе ИС. Разработан ряд схем последних с дополнительными элементами, которые ограничивают сквозные токи на определенном уровне. Большой практический интерес представляют схемы с двухобмоточным токоограничиваю щим дросселем, которые рекуперируют энергию, накопленную на этапе рассасывания неосновных носителей зарядов.
В результате исследований разработана наиболее совершенная схема ИС с точки зрения массогабаритных показателей и надеж ности (рис. 3.11) [84]. В момент перехода из паузы в импульс (момент замыкания ключа) возникающий при этом ток ограничи вается на этапе рассасывания индуктивностью, образованной со гласным включением обмоток wi и W2 дросселя L. При переходе из импульса в паузу (момент размыкания ключа) энергия, накоплен ная в обмотке wi, трансформируется в обмотку W2 и передается в нагрузку, что способствует повышению КПД схемы. В остальном ИС не отличается от описанного выше и имеет преимущества по сравнению с ИС этого класса: лучшие массогабаритные показатели токоограничивающего дросселя, диод VD3 в цепи дросселя совме щает в себе функции демпфирования и рекуперации. Дальнейшее усовершенствование схемы ИС предусматривает введение цепи, со стоящей из диода VDi, резистора и стабилитрона VD2 и подклю-
Рис. 3.11. Принципиальная схема ИС постоянного напряжения
мерительную и логическую части [4]. Создание МПРЗ определяет необходимость выбора КО и функциональной системы (ФО) АпС, учитывающих особенности МПРЗ. Конструкция ЭВМ представляет иерархическую структуру, в которой устройства низшего уровня объединяются в устройства более высокого уровня. Как отмечено в [88], КО и ФО тесно связаны. Кратко рассмотрим иерархию КС
известных систем вычислительной техники |
[89]. Наиболее извест |
||
ная система ЕС ЭВМ имеет уровни: |
И С — ТЭЗ — панель — |
||
стойка — ЭВМ; |
СМ ЭВМ; ИС — ячейка — комплексный блок — |
||
стойка; |
МСВТ: |
ИС — плата — частичный |
корпус — комплексный |
корпус; |
ЭВМ фирмы IBM: ячейка — панель — стойка — ЭВМ (си |
||
стема) . |
|
|
|
Число уровней КО и ФО обусловливает сложность системы, так как увеличивается количество физических связей и элементов, которое растет экспоненциально. Физическая связь между конструк тивными модулями разного уровня иерархии или на одном уровне требует использования дополнительных элементов (разъемы, клемм ники). Кроме того число используемых уровней КО влияет на по казатели материалоемкости, весовые и габаритные, быстро ухуд шая их. С другой стороны, число уровней КО и ФО зависит от требований ремонтопригодности, универсальности, гибкости и техно логичности производства.
М ПРЗ энергоблока — сложная ТС, которая с точки зрения ха рактера используемых средств представляет совокупность взаимо действующих и взаимодополняющих частей: комплекса АпС и ком плекса ПС.
Она является ММС и относится к классу неоднородных вычис лительных комплексов. Исходя из этого целесообразно принять за основу КО МСВТ, но изменив их с учетом изложенного, и пред ставить КО МПРЗ в виде следующей иерархии уровней: уровень О—ИС, активный или пассивный элемент; уровень 1 — печатная плата; уровень 2 — типовой элемент замены ТЭЗ; уровень 3 — комплектный корпус; уровень 4 — комплексный корпус; уровень 5— комплекс, представляющий собой совокупность комплексных кор пусов, связанных кабелями.
Замена частичного корпуса ТЭЗ (ЕС ЭВМ) отражает основную эксплуатационную особенность: оперативное восстановление рабо тоспособности системы выполняется заменой отказавших элементов на уровне ТЭЗ. В МПРЗ в качестве ТЭЗ используются платы с ры чагами, платы с панелью и частичные корпуса для блоков питания. На уровне комплектного корпуса используются его модификации: панель, каркас и составной корпус (включающий каркас, кожух и панель). На уровне комплексного корпуса в системе исполь зуются следующие его модификации: стойка, шкаф и стол.
Иерархия ФО МПРЗ должна иметь следующие уровни и эле
сложность конструкции, масса, объем, потребляемая мощность, прочность и устойчивость к механическим воздействиям. Сложность конструкции оценивается общим числом ИМС и электро- и радио элементов (ЭРЭ) NM и электрических соединений
С = М к 2Мэл+ кзМ с), |
(3.13) |
|
где ki — масштабный, к2, |
кз — весовые коэффициенты, |
обычно |
k2= k 3= l . |
масса шуд, плотность упаковки |
элемен |
Вторые — это удельная |
||
тов Yv> коэффициент интеграции, удельная рассеиваемая мощность
р
г уд-
Был выполнен расчет массогабаритных показателей устройств,
входящих |
в состав комплекса |
АпС (табл. |
3.3); устройств стойки |
РЗ (табл. |
3.4), а также общих |
показателей |
качества конструкции |
МПРЗ (табл. 3.5). Удельная масса АпС МПРЗ довольно высока (см. табл. 3.4) и выше соответствующего показателя у серийных микроЭВМ. Это связано с большим объемом металлоконструкций, обес печивающих механическую прочность и устойчивость к внешним и внутренним электромагнитным воздействиям. В системе имеется электромагнитное экранирование на уровне комплексных и комплект ных корпусов (уровни 5 и 4). Масса функциональных ТЭЗ, выпол няющих основные функции РЗ и входящих в состав ЗМ, ВхБ, ВБ, блок коммутации и АЦП, порядка 34 кг (6,6%), в том числе ТЭЗ ЗМ—12,64 кг (или 2,5%). Распределение массы между отдель ными подсистемами и по типам элементов, используемых в системе, приведено на рис. 3.13, а. Большая доля материальных ресурсов приходится на подсистему электропитания (42%), около четверти (26,2% )— на общесистемные средства (вентиляцию, защиту от внешних воздействий и конструкцию). Затраты на собственные средства РЗ и подсистему управления — одного порядка, причем в последней основная их доля идет на обеспечение связи с обслу живающим персоналом. В свою очередь, материалоемкость под системы УСО и собственно РЗ, включающей ЗМ, примерно одина кова.
Как показывает распределение компонентов для стойки РЗ и под системы ПЭ (рис. 3.13, б), основную долю составляют конструкцион ные материалы, обеспечивающие защиту от механических и внеш них электромагнитных воздействий. Следует отметить, что замет ную часть (10%) составляют электрические соединения на всех уровнях КО: межблочные, внутриблочные и межкомпонентные ли нии и элементы связи. Функциональные ИМС, РЗ и соединения (без элементов электропитания) составляют примерно 15%. Функ циональные элементы (ИМС и ЭРЭ), реализующие электрическую схему,— 6%, интегральные схемы, выполняющие основные функции обработки информации,— 1,12%.
по