книги / Микропроцессорная система релейной защиты энергоблоков

арифметико-логическое устройство (АЛУ) и блок регистров. По­ следний имеет буферные регистры адреса и данных, регистры общего назначения и регистры специальные (текущего состояния МП, счет­ чика и т. д.). Все регистры и АЛУ объединены шинами адресов, данных, результатов, команд. Устройство управления (УУ) включает блок памяти микрокоманд и блок формирования их адресов. В за­ висимости от способа организации УУ различают МП с микропро­ граммным управлением (К1810ВМ86) и МП с жесткой логикой (КР580ИК80А). Конкретные МП отличаются отсутствием или со­ вмещением указанных элементов, разрядностью, числом регистров. В настоящее время промышленность выпускает' более 50 МПК.

Универсальные микросредства вычислительной техники (МСВТ) делятся на три группы: первая — конструктивно-законченные микроЭВМ с источниками питания и средствами связи с объектом и оператором; вторая — встраиваемые МСВТ, поставляемые в виде каркасов, комплектуемых модулями по спецификации заказчика (в качестве вычислителя для таких ИМС используются МП или одно­ кристальные микроЭВМ (ОМЭВМ), специально для них разрабо­ танные); третья — специализированные контроллеры на базе уни­ версальных МПК.

К универсальным микроЭВМ первой группы относятся семейства «Электроника-60»,. «Электроника НЦ», «Электроника-С5», «Элек- троника-Kl», СМ1800, «Электррника МС». Характеристики неко­ торых моделей приведены в табл. 2.1 [47, 48]. Дальнейшее развитие МСВТ связано с разработкой ОМЭВМ. В отличие от БИС МП ОМЭВМ содержат на кристалле помимо процессорного элемента ОЗУ данных и ПЗУ микропрограмм, устройства ввода — вывода, счетчик-таймер и, как правило, генератор тактовых импульсов. Современные ОМЭВМ имеют разрядность формата данных 4, 8, 16 бит, разрядность шин адресов и команд обычно больше и по структуре сравнима с универсальными ЭВМ.

В настоящее время проектируются достаточно сложные ОМЭВМ, содержащие несколько десятков -тысяч логических вентилей на кристалле, характеристики некоторых из них приведены в табл. 2.2 [49]. К универсальным МСВТ второй группы относятся серии В7, В9, «МикроДАТ» [50]. В7 и В9 выпускаются для систем противоаварийной автоматики [51]. Основные технические характеристики этих средств: объем программируемой и постоянной памяти — до 64 кбайт, время выполнения короткой операции — не более 2,5 мкс. В комплект МСВТ для противоаварийной автоматики входят: ми­ кроЭВМ, УСО, блоки бесперебойного питания,' блоки контроля управления и индикации [52]. Контролируемые аналоговые и ди­ скретные сигналы от объектов управления поступают на входные УСО, представляющие собой устройства нормализации и фильтра­ ции сигналов, а также гальванической развязки. Главные особен-

интеграции, переход от блочного и многоплатного исполнения к одноплатному и однокристальному, снижение потребляемой мощ­ ности, повышение надежности, увеличение быстродействия благо­ даря использованию быстродействующих элементов и распаралле­ ливанию операций. Переход к унифицированному интерфейсу и кон­ структивам обеспечивает аппаратную совместимость семейств микроЭВМ.

МЭБ используется для реализации всех функциональных эле­ ментов и устройств РЗ. За рубежом возможность применения МЭБ в системах энергоснабжения изучается с 70-х гг.; внедрение микро­ ЭВМ началось в 80-е гг., при этом особое внимание уделялось их испытанию в энергосистемах в условиях воздействия помех и повреждений. На ВЛ 275 и 500 кВ были установлены основные и резервные защиты на базе ЭВМ. В Японии были внедрены цифровые дистанционные РЗ ВЛ, системы управления и РЗ распределитель­ ных сетей [53]. В 70-е гг. микропроцессорная РЗ разрабатывалась в США, Англии, Франции [54]. Аналогичные работы выполняются и в СССР [4, 10, 14]. Основные преимущества использования в РЗ МЭБ и микроЭВМ следующие: большие вычислительные возмож­ ности МСВТ при малых габаритах и потребляемой мощности; низ­ кая стоимость при серийном производстве базовой конфигурации; повышение гибкости и универсальности; расширение функциональ­ ных возможностей за счет модульного построения АпС и ПС; повы­ шение надежности РЗ за счет совершенствования АпС и ПС; про­ стая организация контроля и диагностики, что повышает удобство эксплуатации; резервирование функций системы за счет использо­ вания нескольких алгоритмов решения задачи; простота организа­ ции обмена между системами управления различных уровней; сни­ жение стоимости и сроков внедрения в результате использования ПС базовой конфигурации аппаратных средств.

однако она обеспечивает максимальное быстродействие. Это — важнейшее достоинство аппаратной реализации функций защиты. Поэтому представляется обоснованным в качестве признака класси­ фикации РЗ принять способ и соответствующие средства обработки информации и различать' РЗ аналоговые, цифровые, аналого-циф­ ровые (гибридные). В аналоговых РЗ вычислительные и логические операторы выполняются средствами аналоговой вычислительной техники. В аналого-цифровых РЗ алгоритмы обработки информации реализуются с помощью аналоговых и цифровых МП. Жесткость— это неизменность структуры связей и состава АпС и ПС РЗ. Гиб­ кость, наоборот, определяет способность СРЗ к перестройке. Жест­ кие цифровые РЗ на МП — это микроконтроллеры РЗ (М КРЗ). Реализация функций в МКРЗ может быть аппаратная или про­ граммная на ПЗУ В вычислительных системах (ВС) возможна последовательная, параллельная и конвейерная обработка инфор­ мации. Причем последняя является разновидностью параллельной обработки. При последовательной обработке в зависимости от режима работы микроЭВМ делятся на однопрограммные и мульти­ программные. В режиме мультипрограммирования в памяти ВС имеется несколько программ, и они выполняются по частям, одна за другой. Основной путь повышения производительности и надежна сти ВС — реализация параллелизма в их функционировании по­ средством организации многомашинных и многопроцессорных (мультипроцессорных) ВС [55, 56]. Микропроцессорная много­ машинная система (ММС) состоит .из нескольких микроЭВМ, каж­ дая из которых включает МП, оперативную память, средства связи с другими микроЭВМ, и работает под управлением своей опера­ ционной системы (ОС).

В многопроцессорной системе имеется несколько МП, работаю­ щих с базой данных (БД), через которую осуществляется их связь. Такие системы в некоторых случаях называют жесткосвязанными, подчеркивая тот факт, что трудно произвести какие-либо изменения в архитектуре таких систем. ММС отличается более высокой надеж­ ностью и живучестью, чем многопроцессорная система. Однако в ММС обмен информацией между микроЭВМ выполняется через каналы ввода — вывода и другие системные средства связи, про­ пускная способность которых значительно меньше, чем у внутрнмашинного интерфейса; в многопроцессорной системе длительность межпроцессорного обмена практически равна длительности цикла памяти.

В настоящее время в условиях ускоренного и широкого внедре­ ния МЭБ в системы управления технологическими процессами наи­ большее распространение получают ММС. Это объясняется тем, что ММС создаются на основе серийных микроЭВМ и требуют мини­ мальных конструкторских и аппаратных разработок. Программное

обеспечение многомашинной системы включает ПО базовых микроЭВМ. Создание многопроцессорной системы требует несоизмеримо больших затрат* связанных с разработкой специальной операцион­ ной системы, системы команд,,системы трансляции и других элемен­ тов ПС [56]. ММС и многопроцессорные системы могут быть одно­ родными или неоднородными. В первом случае система содержит одинаковые микроЭВМ или процессоры. В неоднородных системах используются различные микроЭВМ или МП. В настоящее время получают широкое распространение распределенные системы управления [57]. Их основные признаки — функциональная де­ централизация и территориальная распределенность системы, зна­ чительные затраты времени на обмен в последней. СРЗ, как правило, бывают функционально децентрализованными и сосредоточенными (территориально централизованными). В некоторых случаях РЗ территориально распределены, обмен в системе носит случайный характер и затраты времени на него незначительны.

С точки зрения характера обмена информацией и структуры связей различают ММС РЗ с общей БД, общей централизованной шиной (магистралью); сточки зрения топологии и характера обмена в сосредоточенных и распределенных ММС, на которую существенно влияет централизация БД и связей, различают системы с общей БД, общей шиной (магистралью), петлевые (кольцевые) системы, радиальные, иерархические, полносвязные, неполносвязные [55]

В системах с общей памятью взаимодействие между микроЭВМ выполняется через память. В системах с общей магистралью микро­ ЭВМ взаимодействуют через общий канал посредством сквозной адресации микроЭВМ. Магистраль обычно работает в режиме раз­ деления времени, управление ею может быть централизованным или децентрализованным. Кольцевые системы содержат замкнутый высокоскоростной канал цифровой связи. МикроЭВМ присоединяют к кольцу в узлах с помощью кольцевого интерфейса. Посланное сообщение проходит по кольцу до узла-адресата и удаляется им из кольца, при этом сообщения передаются блоками. В радиальной системе одна центральная микроЭВМ работает как управляющая и связана с остальными микроЭВМ отдельными линиями. В ради* альной системе возможен одновременный обмен между парами периферийных микроЭВМ. Иерархическая система имеет древовид­ ную структуру связей. Информация в иерархических системах цир­ кулирует между различными уровнями. Для связи микроЭВМ раз­ личных уровней используются выделенные линии. Обмен выпол­ няется передачей пакетов переменной или фиксированной длины. Для МПРЗ характерна иерархическая структура (рис. 2.2). Микроили мини-ЭВМ верхнего уровня управляет системой связи с опера­ тором, выполняет реконфигурацию функций микроЭВМ нижних уровней, осуществляет контроль и диагностику аппаратных средств

Рис. 2.2. Иерархическая структура СРЗ

системы. МикроЭВМ среднего уровня выполняют функции отдель­ ных защит, работая в однопрограммном или мультипрограммном режиме. Опрос нижнего уровня производится циклически. Здесь используются микроЭВМ и МК для сбора предварительной обра­ ботки и сжатия информации по достаточно простым алгоритмам.

Для повышения надежности иерархических систем возможно введение избыточности (дублирование, мажорирование), однако это весьма дорого [55]. Радиальные и иерархические ВС представляют частные случаи неполносвязных систем, в которых для обмена между микроЭВМ, не имеющих прямой отдельной линии связи, используется коммутация каналов, сообщений или пакетов. Полно­ связные ВС имеют отдельные линии связи между всеми микроЭВМ. Из-за высокой стоимости их применение ограничено.

РЗ любого электроэнергетического объекта, как показано в [21], должна защищать его от всех видов КЗ и ненормальных режимов. Иными словами, РЗ объекта должна быть функционально полной. В настоящее время она выполняется путем комплексирования УРЗ, выполняющих отдельные функции защиты, например, защиты от замыканий на землю, междуфазных КЗ и т. д.

Специализированные УРЗ конструктивно не связаны и незави­ симы, в систему они объединяются в результате совместного функ­ ционирования на 03 . Наряду со специализированными существуют комплексные РЗ, представляющие сосредоточенные, конструктивно­ централизованные, функционально-полные защиты энергообъекта. В качестве 03 может выступать не только отдельный элемент энерго­ системы (генератор, ВЛ и т. д.), но и группа элементов, например, блок генератор — трансформатор — ошиновка, подстанция. В соот­ ветствии с этим различают автономные и групповые (ситуацион­ ные) РЗ. Первые «работают на базе информации, получаемой от данного защищаемого элемента» [4]. Вторые получают информа­ цию от каждого элемента 0 3 и на основе ее анализа определяют поврежденный элемент и отключают его.

разделения специализированных ресурсов между одинаковыми под­ процессами различных процессов СРЗ.

Описанные задачи разделения ресурсов имеют свои методы ре­ шения (программные и аппаратные). Они являются средствами обеспечения гибкости СРЗ. Принципы централизации (децентрали­ зации) имеют следующие аспекты: централизация (децентрализа­ ция) процесса; централизация (децентрализация) БД; централиза­ ция (децентрализация) связей. Они определяют возможные струк­ туры и состав СРЗ. Рассмотрим некоторые варианты централизации для МПРЗ (рис. 2.3). Наиболее простой вариант структуры — пол­ ная централизация обработки и хранения данных в одном МП и одной БД (рис. 2.3, а). В следующей структуре (рис. 2.3, б) процесс обработки данных распределен между несколькими МП, обмен дан­ ными выполняется через общую БД, связи ИП с МП индивиду­ альные. Полностью децентрализованная система (рис. 2.3, в) обла­ дает наибольшей устойчивостью. В ней каждый МП имеет локаль­ ную БД, индивидуальные связи с ИП, предусмотрен индивидуаль­ ный межпроцессорный обмен. В структуре, показанной на рис. 2.3, г, полностью децентрализованы процессы и частично децентрализо­ вана БД. Через ее централизованную часть, в частности, выпол­ няется межпроцессорный обмен данными. В структуре, представлен­ ной на рис. 2.3, д, частично централизованы БД и процессы. В систе­ мах с такой структурой общая. БД и центральный МП чаще всего выполняют функции контроля и управления системой. С помощью

зации любой сложной системы. Анализ существующих аналогичных систем, технического задания на разработку, результатов научноисследовательской работы (НИР) в области режимов энергосистем и основного оборудования, РЗ, эксплуатации, учет требований директивных материалов Минэнерго, Правил устройства электро­ установок (ПУЭ), руководящих указаний позволяют на первом этапе определить функции СРЗ.

Основной инструмент генерации структуры функций системы — метод декомпозиции. Впервые он был предложен Дж. Данцигом и В. Вулфом в 1960 г. для решения задачи линейного программиро­ вания путем сведения ее к решению задач меньшей размерности. Процедура декомпозиции функции носит эвристический характер. Ее результат — подмножество (композиция функций), которое эквивалентно функции предыдущего, верхнего уровня. Очевидно, что выбор композиции неоднозначен и зависит от опыта, интуиции, знаний лица, принимающего решения.