книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

3.4. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БАЗА ПЕРСПЕКТИВНЫХ РЗ

Обеспечение минимальных габаритов при разработке перспектив­ ных устройств РЗ возможно преимущественно за счет использования специальных методов компоновки как интегральных микросхем (по­ лупроводниковых, гибридных), так и специальных технологических кристаллов, к которым относятся базовые матричные кристаллы (БМК). Однако повышение плотности упаковки микросхем выдвигает свои проблемы, из которых наиболее серьезными являются увеличение удельного количества выделяемого тепла и числа внешних выводов, снижение выхода годных кристаллов.

Конструктивно БМК представляет собой сформированную заранее матрицу ячеек с группами нескоммутированных между собой элемен­ тов. Специализация матричной БИС осуществляется с помощью несколь­ ких уровней металлизированных межсоединений на заключительной ста­ дии изготовления. На основе одного БМК возможно изготовление мно­ жества БИС путем замены фотошаблонов. Дополнительным преимуще­ ством БИС на основе БМК по отношению к МП является упрощение цикла проектирования программных средств [76]. Весь процесс разра­ ботки БИС на основе БМК от составления технического задания до по­ лучения работоспособных опытных образцов может занять всего не­ сколько недель, в то время как отладка программных средств и комп­ лексная наладка системы могут растянуть время проектирования даже простой микросхемы на несколько месяцев. Эффективность использо­ вания БМК в системах с относительно небольшим объемом производства на основе сравнения различных способов реализации специализирован­ ного контроллера показана в табл. 3.7 [77].

При проектировании изделий на основе БМК часто не полностью ис­ пользуются логические вентили матрицы и выводы кристалла. Избы­ точные элементы могут использоваться для повышения надежности путем резервирования отдельных узлов систем. Кроме того, эта возмож­ ность позволяет в ряде случаев аппаратно реализовать некоторые функ­ ции, которые обычно выполняются процедурно. При этом не только существенно (в 10-100 раз) возрастает быстродействие, но и упрощает­ ся отладка ПО, вследствие чего дополнительно сокращается цикл проек­ тирования систем РЗ. В базовых кристаллах для реализации цифровых БИС со степенью интеграции около 1000 вентилей используются обычно однородные ячейки. Элементы интерфейса располагаются на периферии кристалла. Матрицы с неоднородными ячейками применяются для пост­ роения цифровых (со степенью интеграции около 10 000 вентилей) и цифро-аналоговых БИС.

Для упрощения проектирования и сокращения сроков разработки БИС на основе БМК широко применяются библиотечные наборы типо­ вых функциональных элементов. Вся информация о топологии фраг­ ментов хранится в банках данных систем автоматизированного проек-

91

тирования (САПР) и используется в процессе создания матричной БИС. Применяются следующие способы организации ячеек матрицы БМК. На основе элементов ячейки может быть сформирован один вентиль —ба­ зовый логический элемент, выполняющий элементарную функцию, например НЕ, И-НЕ, ИЛИ—НЕ с разветвлениями по выходам. Для реа­ лизации более сложных функций используется несколько ячеек. На основе ячейки может быть сформирован любой функциональный узел библиотечного набора. Типы элементов ячейки и их число определяются электрической схемой самого сложного функционального узла. Дан­ ный способ построения ячеек базового кристалла позволяет упростить САПР БИС. При использовании БМК в качестве элементной базы РЗ библиотечный набор должен обеспечить реализацию составных частей РЗ. В состав библиотечного набора могут входить как простые логичес­ кие элементы типа И—НЕ, ИЛИ—НЕ, так и достаточно сложные узлы, широко применяемые в РЗ, например различные триггеры, регистры, счетчики, мультиплексоры, усилители, элементы выдержки времени, сумматоры, схемы сравнения, пороговые элементы и др.

На рис. 3.14 приведена схема БМК, эквивалентного по сложности 1500 вентилям. Кристалл содержит нескоммутированные базовые вен­ тильные ячейки и сформированные ФУ. Сдвиговые регистры, имеющиеся

92

Аналоговый квадрат

Рис. 3.14. Состав и расположение элементов в БМК

на кристалле, могут использоваться не только для построения устройств, но и для функционального контроля в различных точках кристалла. Например, БМК фирмы Motorolla (США) представляет собой кристалл на основе матрицы ячеек Macrocell. Помимо вентилей каждая ячейка матрицы содержит несколько транзисторов и резисторов связи. Соеди­ няя элементы матрицы заданным образом, можно создать логический макрос с малой или средней степеною интеграции. Макросы могут пред­ ставлять собой стандартные логические элементы (сдвоенные триггеры,

93

одноразрядные сумматоры и т.д.), способные выполнять по пять различ­ ных логических функций. Матрица Macrocell состоит из 4 основных ячеек, 32 интерфейсных и 26 выходных ячеек [76].

Проектирование функциональных узлов РЗ на основе БМК с исполь­ зованием библиотечных наборов существенно упрощает процесс разра­ ботки, так как проектирование идет на функциональном уровне, что позволяет проектировать схему даже вручную в течение нескольких дней. Срок разработки и запуска в производство БИС на основе БМК, содержащей 570 инверторов, составил менее полугода, а полученная БИС заменила 32 ИМС малой и средней степени интеграции [76]. Срав­ нительная характеристика временных затрат на проектирование функ­ ционального узла средней сложности приведена в табл. 3.8.

Качество разработки зависит от наличия САПР для каждого типа БМК, которая включает библиотеку макроэлементов и ряд программ, помогающих проектировать и проверять схему. При этом САПР БМК предусматривает следующие этапы: разбиение логической функции, выданной заказчиком, на части, удовлетворяющие ограничениям базо­ вого кристалла по числу и типам элементов, числу внешних выводов, выполняемой логической функции с использованием библиотеки эле­ ментов кристалла; автоматическое размещение элементов и трассиров­ ка соединений между ними с возможностями оптимизации вручную; изготовление комплекта фотошаблонов, необходимых для создания соединений; автоматический контроль готовых БИС. Система автомати­ зации проектирования заметно ускоряет разработку и упрощает взаимо­ действие между проектировщиком и изготовителем. Организации-раз­ работчики базовых кристаллов представляют в распоряжение заказчи­ ка необходимое программное обеспечение для проектирования БИС на основе БМК.

Изделия на основе БМК находят в настоящее время все возрастающий спрос. Так, в США с 1980 по 1985 г. их сбыт возрос в 10 раз. Все ведущие

94

фирмы-разработчики микроэлектронной техники ведут разработку БМК. Отечественной промышленностью в настоящее время налажен выпуск БМК на основе КМДП-, И2Л- и ЭСЛ-технологий. Характеристи­ ки некоторых из них приведены в табл. 3.9.

Учитывая, что для выполнения базовой ячейки необходимо четырешесть вентилей, с помощью БМК К1806ВП1, например, можно выпол­ нить разработку функционального модуля, содержащего 450-650 ба­ зовых ячеек. Такой кристалл наиболее подходит для реализации функ­ циональных модулей РЗ с гибкой структурой и цифровых реле защиты средней сложности. На основе БМК начали проектировать дополнитель­ ные БИС МПК. Так, БИС К1801ВП1 включает в себя 600 ячеек и стан­ дартных элементов, в том числе 80 усилительных, 40 периферийных и 480 схем И—НЕ, ИЛИ—НЕ и различных триггеров. На основе БМК этого типа реализованы БИС управления динамической памятью (К1801ВП1030), БИС управления последовательным вводом-выводом (К 1801ВП1035), БИС управления параллельным интерфейсом (К 1801ВП1-033, 034) и др. На БМК большой функциональной мощности проектируют­ ся даже специализированные МП, БИС коммутаторов и ПЗУ.

Одно из направлений в разработке микросхем повышенного уровня интеграции базируется на гибридной технологии, использующий бескорпусные ИМС малой степени интеграции и пленочную технологию их сое­ динения на диэлектрической подложке. Бескорпусные ИМС по сравне­ нию с корпусными аналогами меньше по объему и массе примерно в 70 раз, а по занимаемой площади - в 30 раз. Под гибридной микроэлек­ троникой понимается сборка активных и пассивных микрокомпонентов на соединительных подложках различных типов. По мере миниатюриза­ ции и повышения плотности упаковки гибридные схемы становятся все более сложными и нередко выполняют функции законченных уст­ ройств в одном корпусе. Метод гибридизации открывает широкие воз­ можности комплексного использования тонко- и толстопленочных эле­ ментов, разнообразных компонентов и кристаллов, пленочных много­ слойных коммутационных плат для создания сложных устройств в ви­ де гибридных БИС (ГБИС). Применение ГБИС в РЗ поможет в значи­

95

устройств РЗ на полупроводниковых элементах: повышение надежно­ сти и живучести; обеспечение электромагнитной совместимости путем естественной экранизации (ГБИС размещается, как правило, в стандарт­ ном металлическом корпусе); упрощение технического обслуживания и регламентных работ в процессе эксплуатации защиты в целом. Одна­ ко необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что в ГБИС очень сложно реализовать регулируемые аналоговые элементы.

Главным критерием при разработке устройств РЗ и выборе элемент­ ной базы должна оставаться надежность —функциональная и аппаратная. С этой позиции разработчик устройств РЗ в составе специализирован­ ных ГБИС должен иметь простые реле с одной подведенной величиной (ток, напряжение и т.п.), выполненные на основе полупроводниковых ИМС малой степени интеграции и позволяющие реализовать простые РЗ систем электроснабжения без использования процедурно программиру­ емых элементов. При этом защиты могут обладать и параметрической гибкостью (самонастройка уставок), и алгоритмической гибкостью (самоорганизация за счет избыточности, повышающая живучесть систе­ мы РЗ). Кроме того, в состав специализированных ГБИС должны вхо­ дить: измерительные преобразователи входных электрических и неэлек­ трических величин с унифицированным (для ввода в АЦП) сигналом, резистивные высокоточные делители напряжения для переключения уставок, однокристальные резервированные микроЭВМ и ряд других компонентов. При этом надежность самих бескорпусных полупроводни­ ковых ИМС должна обеспечиваться за счет многократного резервирова­ ния их структуры, что выполнимо в БМК и интегральных системах на пластине. Разработчики аппаратуры на основе анализа схем РЗ с уче­ том их дальнейшего развития должны сформировать минимальный функционально полный набор типовых ФУ для последующей их реали­ зации в виде специализированных ГБИС. Это позволяет разработчику модернизацию конкретной аппаратуры данного класса сводить к опре­ делению состава типовых ГБИС и их соединений, обеспечивающих вы­ полнение РЗ требуемых функций. Обновление состава типовых ГБИС будет производиться только при достаточном технико-экономическом обосновании, например при расширении функций аппаратуры или суще­ ственном обновлении элементной базы.

Анализ развития цифровой элементной базы РЗ показывает, что оно идет прежде всего по пути повышения степени интеграции ИМС, которые могут решать сколь угодно сложные и разнообразные алгоритмы пере­ работки информации. Вместе с тем ИМС высокой степени интеграции имеют ряд недостатков, осложняющих их разработку, изготовление и применение. Например, возрастание удельной рассеиваемой мощности при увеличении степени интеграции требует принятия специальных мер по обеспечению теплоотвода, а при удельной мощности выше 20 Вт/см2 — применения принудительного охлаждения. Естественным следствием повышения уровня интеграции являются удорожание и ус-

96

ложнение ремонтных работ, что порождает ряд проблем, органически присущих устройствам с плотным размещением элементов [78]. При повышении плотности упаковки усиливается электромагнитная связь между элементами, что снижает помехоустойчивость системы. Возника­ ют трудности и при изготовлении для ИМС малых по размерам корпу­ сов с большим числом выводов, что существенно сдерживает увеличение степени интеграции микросхем. Применение ГБИС до определенной степени сокращает объем, занимаемый в устройстве РЗ электронной схе­ мой, что позволяет уменьшить габариты аппаратуры и использовать для повышения надежности резервирование как внутри корпусов ГБИС, так и отдельных ГБИС на печатной плате.

В последнее время плодотворно развивается идея создания ’’систем на пластине” [8]. Такой подход сочетает в себе положительные качества микроэлектронной технологии и схемотехники, потенциальные возмож­ ности МПС с перестраиваемой структурой, принципы обеспечения надеж­ ности. Интеграция на целой пластине (ИЦП), с помощью которой пыта­ ются достичь новых, более высоких уровней миниатюризации, является технологией, области применения которой еще не определены. В то же время основные концепции этой технологии нельзя считать совершенно новыми. Первые попытки получить ИЦП-системы относятся к 60-м годам. Фирма Treelogy sistem (США) одной из первых стала уделять внимание созданию функционально законченных сложных устройств по концепции ИЦП, базируясь на том, что ИЦП обладает достаточно малой чувствительностью к дефектам технологического процесса благодаря резервированию. В случае появления дефекта в какой-либо схеме ее место занимает резервная. Надежность любого интегрального прибора, герметизированного в отдельный корпус, повышается при условии, что число выводов в системе сокращается.

Первым практическим внедрением концепции ИЦП явилась система IBM3081, выполненная на БМК, состоящих из 704 логических венти­ лей и 121 контакта. Сто и более таких кристаллов монтируются rta ке­ рамической подложке, содержащей 33 слоя межсоединений, которая герметизируется в теплопроводный модуль, являющийся по сути гиб­ ридной СБИС. Собственно блок обработки IBM3081 имеет 16 каналов и содержит 26 модулей. В настоящее время создание подложек к таким модулям является задачей наивысшей технологической трудности. Интегрирование кристаллов на одну пластину позволяет значительно снизить потери полезного пространства, уменьшить паразитные емкости, суммарную потребляемую мощность и число межсоединений, что приво­ дит к увеличению быстродействия и надежности. При конструировании ИЦП-систем необходимо предусмотреть возможность исправления де­ фектов схемы или включение средств обеспечения отказоустойчивости. Отказоустойчивость предполагает наличие резервирования или обеспе­ чение ремонтопригодности, т.е. возможность вмешательства в процесс изготовления, что должно повысить процент годных БИС.

97

В период с 1965 по 1970 г. фирма TI (CIlLV) разрабатывала концеп­ цию дискретной разводки. Пластина подразделялась на отдельные функ­ циональные узлы. В процессе изготовления ее испытывали с целью выявления годных узлов, из которых с помощью ЭВМ компоновали за­ тем ИЦП-систему. При такой схеме изготовления каждой пластине дол­ жен соответствовать свой набор фотошаблонов, организующих межсое­ динения на подложке. Существовавший в те годы уровень производства и САПР не позволял реализовать концепцию ИЦП на приемлемом техни­ ческом уровне. В 1980 г. в США вновь вернулись к разработке данной концепции при создании проекта СБИС с изменяемой конфигурацией межсоединений при проектировании ОЗУ и электрически программиру­ емых ПЗУ. Так, из 192 сформированных на пластине ячеек, состоящих из четырех 10-разрядных счетчиков и регистров сдвига, выбирают 64 ра­ ботающие (130000 транзисторов). Из семи американских и японских эк­ спериментальных ИЦП-систем в 1984 г. пять явились системами памяти.

Следуя такой концепции, можно реализовать блок управления гиб­ кой РЗ, обладающей повышенной живучестью, на основе однотипных многофункциональных перестраиваемых узлов. В качестве многофунк­ ционального цифрового узла могут быть использованы, например, циф­ ровые интеграторы, рассмотренные выше. В настоящее время процесс изготовления любого устройства требует разнотипных территориально удаленных и разобщенных производств: изготовление микросхем; изготовление печатных плат; монтаж изделий, характеризующийся большим объемом ручного труда. Концепция ИЦП позволяет присту­ пить к созданию гибких РЗ на основе однородных структур, например цифровых интеграторов. Это дает возможность кардинально упростить технологию производства готового изделия при той же плотности упа­ ковки базового элемента БИС. В процессе такого производства кроме других преимуществ обеспечивается возможность существенного сниже­ ния отходов дорогостоящих полупроводниковых материалов, резкого уменьшения габаритов и потребляемой мощности законченного изде­ лия, создания полностью автоматизированного цикла выпуска готового изделия, причем выпускаемого на одном производстве. Однако следует отметить, что в этом случае возрастает роль мощных САПР на этапе производства. Создание систем на ИЦП требует проведения больших объемов исследований. По оценкам специалистов, к концу 80-х годов должны появиться ИЦП, конкурентоспособные со СБИС массового производства. В настоящее время областью применения ИЦП являются ЗУ и системы обработки сигналов.

Взаключение следует отметить, что внедрение гибридной технологии

впроцесс изготовления устройств РЗ и соответствующее расширение номенклатуры высоконадежных бескорпусных ИМС позволяет сущест­ венно повысить технический уровень РЗ (от простых реле до сложных систем РЗ с перестраиваемой архитектурой) и, что главное, сократить сроки обновления техники.

98

Г л а в а ч е т в е р т а я

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ РЗ С ПРОЦЕДУРНЫМ ПРОГРАММИРОВАНИЕМ

4.1. ПРЕДПОСЫЛКИ ПЕРЕХОДА К РЗ С ПРОЦЕДУРНЫМ ПРОГРАММИРОВАНИЕМ

В настоящее время для управления электроэнергетическими объек­ тами в аварийных режимах ЭВМ используются весьма ограниченно, что обусловлено в основном высокими требованиями к надежности систем РЗ. Структура каждой системы РЗ зависит от особенностей соот­ ветствующего объекта. Это вынуждает проектировать систему РЗ для конкретного объекта из отдельных реле или в виде типовых панелей защиты. Опыт проектирования унифицированных систем РЗ с аппарат­ ной реализацией алгоритмов на базе дискретных компонентов и ИМС с малой степенью интеграции, у которых адаптация системы защиты к конкретному объекту осуществляется до ввода РЗ в эксплуатацию из­ менением набора функциональных блоков, показал, что возникают трудности при организации контроля и Диагностики такой системы. Требование высокой надежности удовлетворяется созданием весьма сложных систем контроля, диагностики и резервирования. Указанные трудности могут быть преодолены переходом на новую элементную ба­ зу — большие ИМС, в том числе МП. Особое значение имеет переход к программной реализации функций управления и защиты с помощью МП.

Существует противоречие между производителем и потребителем ре­ лейной аппаратуры. Первый стремится к созданию универсальных и уни­ фицированных средств, что повышает технико-экономическую эффек­ тивность производства за счет уменьшения номенклатуры выпускаемых устройств РЗ, роста объема и специализации производства, более широ­ кой автоматизации производственных процессов и как следствие сниже­ ния себестоимости устройств. С другой стороны, состав функций, пара­ метры, алгоритмы РЗ зависят не только от типа электрооборудования объекта (генератор, трансформатор, ЛЭП), но и от его параметров

ких объектов, особенно крупных (например, турбогенераторы единой серии, мощные силовые трансформаторы и -автотрансформаторы), с точки зрения потребителя РЗ необходима разработка индивидуальной системы МПРЗ. До настоящего времени это противоречие решалось пу­ тем обеспечения высокой степени заводской готовности РЗ объекта, т.е. проектированием РЗ в виде комплекса отдельных автономных устройств. Эти устройства РЗ связаны в комплекс лишь совместным функционированием на одном объекте. Каждое из них защищает от од­ ного или нескольких видов КЗ из всего множества повреждений. Подоб­ ные комплексы проектируются на базе электромеханических реле,

99

микроэлектронных аналоговых и аналого-цифровых устройств РЗ. Наряду с высокой живучестью они обладают параметрической гиб­ костью, но имеют весьма ограниченную алгоритмическую и функцио­ нальную гибкость. Эти свойства обычно реализуются ручной настройкой

иперестройкой, что является причиной значительной доли отказов функ­ ционирования устройства РЗ. Возможности автоматического контроля

идиагностики в таких комплексах ограничены. Можно предположить,

что аналого-цифровые устройства и системы РЗ с аппаратной реализа­ цией функций в дальнейшем будут иметь распространение лишь для за­ щиты объектов с несложными алгоритмами и простым обслуживанием. Для сложных электроэнергетических объектов с большим числом внеш­ них связей и переменными режимами работы, постепенные отказы ко­ торых приводят к многочисленным и разнообразным повреждениям, при использовании комплексов устройств РЗ оправдан переход к МПРЗ

[2, 40].

В настоящее время РЗ ориентирована на выявление, локализацию и ликвидацию КЗ и ненормальных режимов. Однако в большинстве случа­ ев КЗ, особенно на крупных энергообъектах (генераторах, силовых трансформаторах и т.д.) в объединенных ЭЭС, являются следствием постепенных отказов, возникающих по мере выработки ресурса обору­ дования. Известно, что увеличение времени профилактических ремонтов на энергоблоках снижает длительность аварийных ремонтов. Поэтому актуальна диагностика предаварийного состояния энергообъекта, в том числе его электрической части, что позволит предупредить или сущест­ венно уменьшить размеры и последствия КЗ и ненормальных режимов. Очевидно, что диагностика предаварийных состояний требует контро­ ля значительно большего числа параметров и характеристик (в том числе и неэлектрических) защищаемого оборудования, значительных объе­ мов информации и реализации алгоритмов идентификации в многомер­ ных пространствах состояний. Существующие наиболее сложные РЗ (ДФЗ, ДЗТ, дистанционные РЗ) идентифицируют состояние 03 в «-мер­ ном пространстве параметров. Предаварийная диагностика (на началь­ ной стадии развития повреждения) в большинстве случаев (но не во всех) снимет проблему быстродействия РЗ, поскольку 03 будет выво­ диться для восстановления до возникновения КЗ или ненормального режима. Ясно, что реализация такого подхода требует использования средств РЗ с абсолютной гибкостью, способных перерабатывать и хра­ нить в течение длительного времени значительные объемы информаций о состоянии 03. Практически в настоящее время это означает использо­ вание МП-средств с энергонезависимой памятью.

Для управления крупными энергообъектами используются АСУТП, ориентированные на применение СМ и ЕС ЭВМ, поэтому в перспективе РЗ следует рассматривать как подсистему таких АСУТП. Существующие системы РЗ имеют весьма слабые связи с АСУТП. Например, на блочном щите энергоблока и центральном щите электростанции имеется лишь

100