книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

сигнализация о срабатывании одной-двух защит или вообще только о факте срабатывания без уточнения типа сработавшей защиты. Это обус­ ловлено ограниченными техническими возможностями РЗ, имеющими лишь развитую местную сигнализацию. Поэтому принятие оперативных решений задерживается на время анализа местной сигнализации комп­ лекса РЗ дежурным персоналом. Это увеличивает время аварийных простоев, снижает коэффициент готовности энергооборудования, а в конечном счете и экономические показатели. Поэтому необходимо раз­ витие информационных связей системы РЗ с АСУ энергообъекта, увели­ чение объема сообщений о функционировании РЗ, ее техническом сос­ тоянии, конфигурации средств РЗ. Изложенные соображения являются основными предпосылками, обусловливающими необходимость пере­ хода к программируемым МП-системам РЗ.

Как отмечалось выше, следует различать МП-системы с процедурным и процедурно-аппаратным программированием. Процедурное програм­ мирование — это организация (разработка программы) выполнения ал­ горитма функции РЗ при заданной структуре комплекса аппаратных средств (в простейшем случае на одной микроЭВМ). В этом случае вы­ полнение программы можно рассматривать как процедуру смены сос­ тояний вычислительной системы. Процедурно-аппаратное программиро­ вание — это организация процедуры выполнения алгоритма не только сменой состояний, но и изменением самой структуры комплекса техни­ ческих средств, его состава и связей, например путем программирования коммутации функциональных узлов. Потребность в таком программиро­ вании может возникать при реализации многофункциональных систем РЗ с жесткими требованиями не только к быстродействию, но и к мас­ согабаритным параметрам, например МПРЗ распределительной сети ав­ тономных энергосистем, подверженных частой реконфигурации. В объ­ единенных энергосистемах с достаточно стабильной топологией 03 перспективны МП-системы с процедурным программированием.

В последующих параграфах настоящей главы в качестве примеров реализации процедурного принципа программирования рассмотрены МПРЗ блока генератор—трансформатор на базе серийных микроЭВМ ”Электроника-60” и ’’Искра-1256”, а также МПРЗ генератора с исполь­ зованием МП типа К589.

4.2. СИСТЕМА МПРЗ БЛОКА ГЕНЕРАТОР—ТРАНСФОРМАТОР НА БАЗЕ МИКРОЭВМ "ЭЛЕКТРОНИКА-60" И "ИСКРА-1256"

Реализацию МПРЗ на базе многомашинного вычислительного комп­ лекса рассмотрим на примере защиты блоков турбогенератор—трансфор­ матор, структура которой приведена на рис. 4.1. Она является иерархи­ ческой и включает три уровня [80, 81]: уровень 1 —подсистема управ­ ления и документирования; уровень 2 — подсистема защиты; уровень 3 —подсистема связи с объектом. Кроме того, в систему входит подсис-

101

Внешниеустройства РЗ и ПА

Рис. 4.1. Структура МПРЗ блока турбогенератор-силовой трансформатор

тема питания, обеспечивающая бесперебойное питание всего комплекса технических средств МПРЗ.

Подсистема первого уровня обеспечивает:

управление системой защит со стороны оператора (ввод в действие, задание и изменение уставок срабатывания защит, включение и отклю­ чение выходных цепейитд.);

подготовку и выдачу оператору информации о действиях защит при возникновении повреждений и анормальных режимов работы объ­ екта;

координацию действия различных устройств подсистем первого и второго уровней при осуществлении опробования защит;

контроль технического состояния системы и обеспечение надежности функционирования при возникновении отказов аппаратуры (периоди­ ческий тестовый контроль входящих в систему ЭВМ; периодическое опробование срабатывания логических устройств защиты, входящих в систему; периодическое наблюдение за состоянием различных устройств системы с целью выявления и регистрации запрещенных состояний, воз­ никающих в результате отказов аппаратуры; автоматический ввод в

действие резервной ЭВМ с целью обеспечения надежного функциониро­ вания при отказе основных ЭВМ системы защит);

подготовку и выдачу оператору диагностической информации о тех­ ническом состоянии системы защит и обнаруженных отказах аппаратуры для ее восстановления;

102

передачу информации в информационно-вычислительную систему (ИВС) блока генератор—трансформатор.

В состав подсистемы первого уровня входят:

управляющая микроЭВМ (УВМ) типа ”Искра-1256” с набором внешних устройств (клавиатура, дисплей, печатающее устройство, графопостро­ итель, кассетный накопитель на магнитной ленте, системный канал); системная магистраль, обеспечивающая связь УВМ с устройствами подсистем второго и третьего уровней через специальные интерфейсы. Интерфейс системной магистрали ввода обеспечивает: передачу во все устройства, с которыми УВМ осуществляет связь, управляющих ди­ ректив; считывание слов состояний устройств и передачу их в УВМ; запись в память ЭВМ второго уровня и считывание произвольных масси­ вов информации. Все виды обмена УВМ с другими устройствами осуще­

ствляются по ее инициативе.

Системные часы (таймер) ЧС предназначены для передачи по запросу информации о реальном времени. Они обеспечивают передачу текущего времени в УВМ, запоминание времени срабатывания защит по сигналу вы­ ходного блока и передачу его в УВМ по ее требованию, фиксацию даты, часа, минут, секунд с точностью 0,01 с. Установка текущего начального времени производится директивами с клавиатуры УВМ. Информация о текущем времени выводится на экран дисплея и при необходимости на печатающее устройство.

Подсистема второго уровня непосредственно выполняет функции РЗ объекта от повреждений и анормальных режимов работы. Она осуще­ ствляет: вычисление логических функций состояния 03; формирование выходных сигналов, действующих на отключение 03 и сигнализирующих о его состоянии; регистрацию и хранение осциллограмм основных то­ ков и напряжений 03 при возникновении повреждений и анормальных режимов работы. Подсистема включает в себя семь микроЭВМ защиты ЗМ, резервную микроЭВМ защиты ЗМР, выходной блок ВБ, конт­ роллер межмашинного и межсистемного обмена КМО, осциллограф Осц.

В каждой защитной микроЭВМ размещается несколько логических устройств защиты, алгоритмы функционирования которых записаны в ПЗУ. Информация об 03 поступает в ЭВМ через ее интерфейс с магист­ ралью связи с объектом. Интерфейс включает до восьми портов, под­ ключенных к шинам данных магистрали. Каждая основная ЭВМ имеет доступ только к тем величинам, которые используются при решении логических задач РЗ, алгоритмы которых записаны в ее ПЗУ. Перечень таких величин и распределение их по портам интерфейса определяются на этапе проектирования системы и остаются постоянными на все время ее эксплуатации. В состав интерфейса ЭВМ входят буферные регистры, позволяющие при необходимости произвести считывание из информа­ ционного канала всей доступной для ЭВМ информации в один момент времени по специальной директиве и хранить ее в течение необходимого

103

для анализа времени. При использовании такого режима работы об­ новление информации во всех буферных регистрах интерфейса осущест­ вляется одновременно по инициативе ЭВМ. В другом случае информация в буферных регистрах интерфейса обновляется одновременно с измене­ нием информации в информационном канале, и, таким образом, при считывании какой-либо величины ЭВМ получает ее последнее значение. Выбор того или иного режима работы осуществляется ЭВМ программно, путем передачи в интерфейс директивы по специальному адресу в соот­ ветствии с алгоритмами защит. Каждая ЭВМ в качестве одного из своих адресуемых внешних устройств имеет порт, входящий в состав выход­ ного блока. В этот порт со стороны ЭВМ может быть передано однобай­ товое сообщение, дешифрация которого позволяет сформировать необ­ ходимые выходные сигналы системы защит. Кроме того, ЭВМ имеет возможность передать логические сигналы в контроллер межмашинно­ го и межсистемного обмена, воздействующий на другие ЭВМ.

Резервная ЭВМ может заменить в системе любую из основных ЭВМ по указанию УВМ. На время замены алгоритмы защит загружаются в

ееОЗУ, т.е. резервная ЭВМ не имеет алгоритмов защит, записанных в

ееПЗУ. Для осуществления своих функций резервная ЭВМ имеет расши­ ренный интерфейс с магистралью связи с объектом, позволяющий ей при необходимости считывать любой представленный в нем цифровой сигнал. В остальном аппаратура резервной ЭВМ и ее работа не отличают­ ся от аппаратуры и работы основных ЭВМ.

Выходной блок производит аппаратную дешифрацию сообщений, поступающих от ЭВМ второго уровня, и формирование физических сигналов, воздействующих на 03. Выходной блок также формирует и хранит слово состояния выходных органов системы защит. Блок УВМ ”Искра-1256” через свой интерфейс с ВБ имеет возможность управлять им путем передачи в его порты сообщений. Такое управление обеспе­ чивает возможность: блокировать по указанию верхнего уровня выдачу физических выходных сигналов по каким-либо выходным цепям, т.е. отключать их директивой из УВМ; блокировать прием и дешифрацию сообщений от каких-либо логических устройств защиты, т.е. выводить их из действия директивой УВМ; отменять ранее установленные режимы работы ВБ. Через выходные порты УВМ может по своей инициативе по­ лучить от ВБ информацию о его состоянии. Эта информация формиру­

ется аппаратно и содержит: коды логических устройств защиты, кото­ рые передали в ВБ сообщения об отключении 03 в порядке поступления таких сообщений; действующую конфигурацию ВБ по входным и вы­ ходным цепям, установленную на текущий момент; сообщение об ис­ правности контролируемых линий передачи из ЭВМ второго уровня и аппаратуры ВБ, либо коды тех ЭВМ, от которых поступило запрещенное кодовое сообщение. Выходной блок формирует обобщенный сигнал о срабатывании какой-либо защиты, который используется для управле­ ния работой ЧС и Осц.

104

Контроллер КМО предназначен для внутрисистемного межмашинно­ го обмена и внешнего межсистемного обмена информацией. В КМО поступают блокирующие и пусковые сигналы от защитных микроЭВМ МПРЗ, от защит и устройств противоаварийной автоматики данного бло­ ка, не входящих в МПРЗ, и от защит других блоков.

Осциллограф воспринимает из магистрали связи с объектом цифро­ вые коды входных величин и записывает их в соответствующее число каналов постоянно обновляемой ОЗУ. По сигналу ВБ (формируемому одновременно с выдачей сигналов на отключение объекта) отсчитыва­ ется заранее определенная выдержка времени, и обновление информации в каналах памяти Осц прекращается. При этом обеспечивается регистра­ ция информации за заданный промежуток времени как до возникнове­ ния аварийного режима, так и после него. Через интерфейс осциллогра­ фа с УВМ содержимое каналов памяти Осц в дальнейшем передается в подсистему верхнего уровня для последующей обработки и вывода на графопостроитель. Обмен осуществляется по инициативе УВМ. После разгрузки памяти Осц вводится в новый цикл работы директивой УВМ.

Подсистема связи с объектом (уровень 3) включает в себя аналого­ вый входной блок ВхБ, системный имитатор ИмС, блок коммутации и АЦП, датчик частоты ДЧ и магистраль связи с объектом.

Аналоговый входной блок ВхБ воспринимает информацию от ИПТ и ИПН, установленных на 03. Входной блок обеспечивает гальваничес­ кую развязку в соответствии с требованиями к измерительным цепям РЗ, преобразование входных токов в напряжения и согласование их с входными цепями блока АЦП. Блоком ВхБ обеспечивается возмож­ ность восприятия и передачи в подсистемы верхних уровней логических сигналов от внешних устройств РЗ и противоаварийной автоматики 03.

Системный имитатор ИмС обеспечивает возможность формирования и подачи на вход блока АЦП трех аналоговых сигналов, имитирующих любые три входных сигнала от 03. Настройка ИмС на выдачу сигналов определенной величины и формы, а также коммутация его выходов на отдельные входы блока АЦП взамен каких-либо входных сигналов от 03 производятся УВМ ’’Искра-1256” с помощью директив, передава­ емых через интерфейс имитатора. Использование ИмС позволяет произ­ водить опробование как срабатывания, так и несрабатывания всех логи­ ческих устройств РЗ, входящих в систему. Инициирование ИмС с целью опробования той или иной защиты осуществляется с помощью дирек­ тив УВМ. При этом срабатывание опробуемых защит, а также других логических устройств защиты, использующих имитируемые входные сигналы, должно быть заблокировано в системном выходном блоке.

Блоки коммутации и АЦП обеспечивают преобразование поступа­ ющих на его вход аналоговых величин в цифровую форму и передачу последних в магистраль связи с объектом. Причем аналоговые входные сигналы объединяются в несколько групп. Преобразование каждой груп­ пы производится с помощью одного АЦП, т.е. коды входных сигналов

105

одной группы соответствуют значениям входных аналоговых вели­ чин в различные моменты времени в пределах цикла преобразования группы. Синхронизация работы АЦП осуществляется таким образом, что все первые и последующие сигналы во всех группах соответствуют одним и гем же моментам времени. С целью контроля за правильностью информации, поступающей в ЭВМ второго уровня, в блоке коммутации

иАЦП к каждому формируемому сигналу добавляется бит четности. Датчик частоты ДЧ обеспечивает получение текущего значения час­

тоты переменного тока ЭЭС, которое необходимо при реализации алго­ ритмов РЗ. Датчик частоты отстроен от электромагнитных переходных процессов в первичных и вторичных цепях. Он связан со всеми защитны­ ми микроЭВМ отдельной магистралью.

Магистраль связи с объектом содержит совокупность шин цифровых величин, соответствующих всем аналоговым входным сигналам систе­ мы защит, а также линии логических входных сигналов. Интерфейс магистрали связи с объектом обеспечивает асинхронный доступ к вход­ ной информации со стороны устройств второго уровня в течение всего времени, за исключением короткого времени обновления информации. В целом функционирование подсистемы третьего уровня в нормальном режиме происходит автономно и не требует управления со стороны уст­ ройств второго уровня. Обновление информации об объекте в магист­ рали производится с максимально возможной частотой независимо от потребности в считывании информации со стороны подсистемы второго уровня. Таким образом, магистраль связи с объектом содержит в себе динамически обновляемую цифровую информацию, необходимую для идентификации состояния 03, доступную для восприятия устройствами, решающими задачу РЗ в реальном масштабе времени, но формируемую без их участия.

Для выполнения функций защиты, резервирования и осциллографирования используются микроЭВМ семейства ”Электроника-60”. Эти мик­ роЭВМ имеют высокое быстродействие (200 тыс. коротких операций в секунду и выще), микропрограммное управление, которое позволяет адаптировать систему команд микроЭВМ для целей РЗ. Управляющая микроЭВМ ’’Искра-1256” имеет развитые средства связи с оператором, быстродействие 500 тыс. коротких операций в секунду и язык програм­ мирования, ориентированный на задачи управления технологическими процессами. Для повышения живучести системы защиты микроЭВМ имеют многосвязный интерфейс (блок интерфейса), который включает пять магистралей: системную, связи с объектом, обмена, частоты, выход­ ную. В качестве управляющей ЭВМ (УВМ) ,как отмечалось выше, в сис­ теме используется микроЭВМ ’’Искра-1256”.

Структура управляющей микроЭВМ ”Искра-1256” приведена на рис. 4.2. В ее состав входят: центральный процессор ЦП (центральное устройство обработки); полупроводниковое ОЗУ (время цикла 1 мкс, объем 4—64 Кбайт); ПЗУ (время цикла 1 мкс, объем 16 Кбайт); дис-

106

Рис. 4.2. Структура управляющей микроЭВМ ”Искра-1256м

плей (память 1 Кбайт, символы КОИ-8 по ГОСТ 19768—74); кассет­ ный накопитель на магнитной ленте КНМЛ (емкость 100 Кбайт, скорость обмена 200 байт/с); блок расширителя ввода-вывода-канал ввода-вы­ вода (байтовый асинхронный обмен, семь периферийных устройств).

Указанные и соответствующие им интерфейсные блоки ИБ обра­ зуют минимальный функциональный комплекс технических средств, необходимых для организации работы УВМ. Кроме того, в состав УВМ включен серийный графопостроитель ГП с интерфейсным блоком ’’Иск­ ра 015-12” и системный канал СК, который служит для связи УВМ с 15 устройствами нижнего уровня. В УВМ ’’Искра-1256” используется магистральная связь блоков. Для этого выполнено две магистрали: магистраль ввода-вывода МВБ и магистраль памяти МЗУ. Интерфейсы этих магистралей позволяют организовать при минимальных аппарат­ ных затратах асинхронный байтовый обмен между устройствами, прог­ раммируемый обмен по прерываниям и прямой доступ к памяти.

Интерфейс ввода-вывода информации предназначен для организа­ ции байтового асинхронного обмена между устройствами, подключен­ ными к магистрали, в частности между процессором и периферийными устройствами /ТУ. Магистраль включает 20 линий: 8 информационных и 12 управляющих обменом. Обмен по МВВ производится за время не более 2 мкс. Интерфейс памяти предназначен для расширения оператив­ ной памяти до 64 Кбайт подключением к МЗУ дополнительных модулей ОЗУ, а также для организации асинхронного байтового или двухбайто­ вого обмена в режиме прямого доступа к памяти ПДП. Магистраль па­

107

мяти содержит 39 линий: 16 информационных, 16 адресных и 7 линий управления. Магистраль памяти работает в режиме общей (разделяемой) шины.

Асинхронный байтовый (двухбайтовый) обмен в режиме ПДП про­

да-вывода недоступна пользователю в процессе эксплуатации. В микроЭВМ ’’Искра-1256” использован микропрограммный принцип управ­ ления. Микропрограмма внутреннего математического обеспечения (МО) записана в ПЗУ. Внутреннее МО обеспечивает: реализацию входно­ го языка; отладку программ с возможностью контроля и редактирова­ ния любой части программы; выполнение программ; работу с подпро­ граммами; динамическое распределение памяти при вводе программы и счете; управление работой периферийных устройств ввода-вывода; руч­ ной счет; контроль и сигнализацию о сбоях и ошибках.

МикроЭВМ, выполняющая функции РЗ, работает в реальном масшта­ бе времени. К ней через соответствующие блоки интерфейса подключе­ ны следующие внешние устройства: таймер, АЦП, датчик частоты, вы­ ходной блок, контроллер межмашинного обмена. Для хранения прог­ рамм имеется ОЗУ объемом 4К слов и ППЗУ объемом 2К слов. Для раз­ работки и отладки программ возможно подключение пультового терми­ нала ”Консул-260” и перфоленточных устройств ввода-вывода FS-1501 и ПЛ-150, дисплея, клавиатуры, накопителя ’’Электроника ГМД-7012”.

Для реализации эффективных алгоритмов обработки информации при периоде входного сигнала 20 мс необходимо быстродействие более 200 тыс. операций в секунду. С точки зрения получения требуемой точ­ ности применены 10-разрядные АЦП. Исходя из этого указанное быстро­ действие необходимо при работе с 16-разрядными словами. К микроЭВМ защиты подключено большое число внешних устройств ввода-вывода: блоки интерфейсов АЦП, ВБ, УВМ, таймера. Их обслуживание целесо­ образно организовать с использованием системы прерываний. В таком случае микроЭВМ будет прекращать выполнение алгоритма обработки и обслуживать эти устройства с меньшими затратами машинного времени по сравнению со способом программного опроса готовности устрой­ ства. Наиболее просто это реализуется при векторном прерывании, когда вход в программу обслуживания осуществляется автоматически при считывании вектора прерывания. Наличие развитой и гибкой систе­ мы команд способствует созданию коротких программ по заданному алгоритму.

Улучшение динамических и точностных характеристик, расширение функций, выполняемых ЭВМ защиты, возможно при переходе на более совершенные, перспективные типы машин. Возникающие при таком переходе проблемы легко разрешимы при использовании ряда мик­ роЭВМ, совместимых по системе команд, интерфейсу и программному обеспечению.

108

Рис. 4.3. Структура микроЭВМ защиты

Разработка программ для микроЭВМ ”Электроника-60” облегчает­ ся совместимостью на уровне программ с рядом СМ ЭВМ (СМ-3, СМ-4, СМ 1300, СМ 1420). Модернизацию можно осуществить путем примене­ ния более производительных перспективных микроЭВМ этого семей­ ства МС 1201, МС 1211, МС 1212, которые совместимы по интерфейсу, программному обеспечению и конструкции с микроЭВМ ’’Электрони- ка-бОМ”. Структурная схема микроЭВМ приведена на рис. 4.3.

МикроЭВМ ”Электроника-60М” имеет модульный принцип построе­ ния. Связь между блоками осуществляется через единый канал обмена информацией по принципу управляющий—управляемый, т.е. в любой момент времени только одно устройство является активным и управля­ ет процессом передачи информации. Связь через канал является замкну­ той, асинхронной. Пассивное устройство должно подавать ответные сигналы на управляющие сигналы активного устройства. Таким образом, для каждого устройства реализуется максимально возможная для него скорость обмена информацией. Модульный принцип построения с еди­ ным каналом обмена позволяет создать необходимую конфигурацию системы путем установки требуемых блоков, причем они так же легко доступны для центрального процессора ЦП, как и ОЗУ.

Канал ЭВМ обеспечивает три типа обмена данными: программный обмен под управлением и по инициативе программы; обмен в режиме прерывания программы, когда процессор прерывает основную програм­ му и переходит к выполнению программы обслуживания периферий­ ного устройства, выставившего требование прерывания; обмен в режиме ПДП, который является самым быстрым способом обмена между па­ мятью и внешним устройством. Состояние процессора при этом не из­ меняется, и обмен можно производить в промежутках между его цикла­ ми обращения к каналу. Канал ЭВМ содержит 38 линий связи, из кото­ рых 31 линия является двунаправленной. Протокол обмена информа­ цией в целом соответствует интерфейсу типа МПИ (магистральный па­ раллельный интерфейс). Таймер позволяет формировать одновременно

109

Рис. 4.4. Структура памяти микроЭВМ защиты

до пяти выдержек времени, осуществляет приоритетное обслуживание пяти внутренних требований прерывания от счетчиков и двух внешних требований. Процессор может считывать содержимое счетчиков для контроля отсчета выдержки.

Поскольку требуемый объем ОЗУ для функционирования РЗ неве­ лик, то для повышения надежности памяти микроЭВМ защиты целесо­ образно использовать статическое ОЗУ вместо динамического, требу­ ющего дополнительных затрат процессорного времени на регенерацию информации, разрушаемой в процессе хранения в памяти. Устройство памяти защитной микроЭВМ включает ОЗУ, выполненное на ИМС КР537РУ2А, и ПЗУ на ИМС типа К573РФ2. Кроме ОЗУ и ПЗУ память защитной микроЭВМ (рис. 4.4) включает шинные формирователи ШФ, регистр адреса РА, дешифратор устройства памяти ДШУ, блок управ­ ления памятью БУП.

По сигналу синхронизации процессора адрес ячейки памяти запоми­ нается в адресном регистре РА, расшифровывается в дешифраторе ДШУ выбора устройства памяти (ОЗУ или ПЗУ). Затем по сигналу обра­ щения процессора, задающего вид обращения ЗАЛ или СЧИТ, блок уп­ равления памятью БУП формирует управляющие сигналы на линиях УПР ПЗУ и УПР ОЗУ. По этим сигналам данные считываются из ОЗУ или ПЗУ и передаются через ШФна линии ШДА магистрали микроЭВМ по сигналу СЧИТ или записываются с этих же линий в ОЗУ по сигналу ЗАП.

Для хранения программ предназначены блоки ОЗУ объемом 4К слов и ПЗУ объемом 2К слов. Блок ПЗУ имеет до 10 циклов перепрограмми­ рования и длительность хранения информации до 100 тыс.ч при отклю­ ченном и до 10 тыс.ч при включенном питании. Блоки ПЗУ и ОЗУ зани­ мают область адресов, соответственно J0 — 77778 и 40000$ — 51111$. Блоки В1 и В21 обеспечивают работу микроЭВМ с пультовым термина­ лом ”Консул-260” и перфоленточными устройствами ввода-вывода FS-1501, ПЛ-150. Их подключают при необходимости резидентной от: ладки и разработки программ. В этом случае работают с перфоленточной операционной системой.

Обмен информацией с внешними устройствами (управляющей ЭВМ ’’Искра-1256”, выходным блоком, АЦП, датчиком частоты, контролле-

110