книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

1.Привлечение нетрадиционных (специализированных) средств ВТ,

вчастности однородных структур с программируемой коммутацией и

аппаратно перестраиваемой архитектурой, где основные функции про­ граммных средств по выявлению КЗ переданы аппаратным средствам, что позволяет решить проблему обеспечения быстродействия и надеж­ ности средств РЗ. Следует подчеркнуть, что технические средства для этого уже созданы. Неуклонное повышение степени интеграции БИС обеспечивает условия, позволяющие перейти от процедурного принципа программирования макроопераций в ЭВМ к аппаратной их реализации, открывает принципиально новые возможности при синтезе структур современных вычислительных систем. Высокая степень интеграции БИС позволяет создавать мощные системы коммутации и перестройки архи­ тектуры МПС за счет программирования многочисленных каналов связи.

2. Поиск новых способов организации защиты, основанных на исполь­ зовании нетрадиционных средств ВТ, в частности систем с програм­ мируемой структурой. В связи с этим следует подчеркнуть, что пря­ мое перенесение принципов ВТ с программируемой архитектурой в прикладную область РЗ невозможно без разработки новых способов организации функционирования систем, использующих эту технику.

Указанные пути реализует принцип [68, 100] построения систем РЗ, который позволяет решить проблемы их надежности, живучести, быстродействия, помехозащищенности, не требует кардинальной про­ фессиональной переквалификации специалистов по РЗ ЭЭС, так как проектирование, программирование и эксплуатация систем защиты на базе перестраиваемых структур значительно проще, чем традиционных средств ВТ/Суть принципа заключается в гибкой перестройке системы РЗ в реальном масштабе времени с обеспечением автоматического пере­ бора ансамбля структур защиты по тому или иному закону в зависи­ мости от режимов и топологии 03 путем программируемой коммута­ ции готовых структур или функциональных узлов (ФУ) одного и того же набора^

Релейные защиты ЭЭС (в первую очередь автономных) являются новой и перспективной областью применения средств ВТ с програм­ мируемой архитектурой и аппаратной реализацией макроопераций. Тем не менее проведенный анализ показал, что принцип процедурно-аппа­ ратной организации архитектуры РЗ уже в настоящее время вполне реа­ лизуем на имеющейся элементной базе. Так, разработана и передана для серийного изготовления микросхема матричного коммутатора для мно­ гокаскадных коммутационных полей, которая позволяет коммутиро­ вать аналоговые и цифровые сигналы с частотой не менее 100 кГц, что вполне достаточно для быстрой перекоммутации различных структур

151

защиты в ансамбле. Еще раз подчеркнем, что особенно целесообразным представляется использование процедурно-аппаратного принципа орга­ низации структуры РЗ в автономных ЭЭС, где, с одной стороны, предъ­ являются жесткие требования к массе и габаритам устройств РЗ, а с другой - иногда допустим централизованный контроль и управление в ЭЭС из-за малой протяженности линий связи. Излагаемые принципы построения гибких РЗ с процедурно-аппаратным программированием структуры в полной мере могут быть использованы также в распреде­ ленных и децентрализованных системах РЗ.

Ниже в качестве примеров рассматриваются некоторые варианты МПРЗ с процедурно-аппаратным программированием структуры, а точ­ нее, с программированием аппаратной коммутации, различающиеся различными способами организации функционирования их блока управ­ ления (БУ). Простейший вариант предполагает переформирование за­ данного набора аппаратно реализованных структур РЗ путем перекоммутации связей между ФУ при каждой реконфигурации 03. Поскольку каждая перекоммутация структур происходит только при переходе 03 в определенное состояние, а именно при изменении топологии и режи­ мов 03, такая МПРЗ названа защитой с асинхронным переформирова­ нием структур. При этом используется принятое в ВТ понятие асинхрон­ ной системы, что предполагает перед выполнением операции проверку состояния внешнего по отношению к ЭВМ объекта и только после пере­ хода последнего в соответствующее состояние осуществление необхо­ димой операции. Аналогичный принцип использован в МПРЗ с асинхрон­ ной перекоммутацией ФУ из заданного минимизированного функцио­ нально полного набора. Возможности перехода от асинхронной перекоммутации ФУ к их циклической перекоммутации независимо от из­ менения топологии 03 рассмотрены в другом варианте МПРЗ.

5.2. СИСТЕМА МПРЗ С АСИНХРОННЫМ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЕМ СТРУКТУР

В качестве примера рассмотрим вариант МПРЗ с процедурно-аппарат­ ным программированием ее логической структуры. Как отмечалось вы­ ше, для ЭЭС, конфигурация которых в процессе эксплуатации и ава­ рийных переключений изменяется относительно редко (например, единицы раз за несколько десятков—сотен часов работы), целесообраз­ но использование универсальных МПРЗ с переформированием заранее заданных структур РЗ, причем для каждого возможного режима 03 в БУ хранится программа коммутации ФУ в набор соответствующих структур РЗ. Каждый ФУ, как и в жестких РЗ, может входить только в одну структуру РЗ.

На рис. 5.1 приведена структурная схема указанной МПРЗ, которая содержит набор внешних элементов, микроЭВМ, коммутирующие уст­ ройства КУ и источник опорных сигналов ИОС. Вспомогательные кон-

152

такты АВ с помощью коммутирующего устройства КУ1 соединены с процессором микроЭВМ и образуют входные цейи устройства РЗ, пере­ дающие по информационной шине данные о конфигурации защищаемой сети. Процессор через контроллер имеет доступ к ПЗУ, в котором хра­ нится специализированная база данных. Выходные цепи процессора ши­ ной управления соединены с управляющими входами КУ2-КУ5. Вхо­ ды КУ2 также соединены с выходами измерительных преобразовате­ лей МП, контролирующими параметры защищаемой сети, например ИПТ, а его выходы шиной параметров соединены с измерительными входами реагирующих и блокирующих органов, входящих в состав внешних эле­ ментов. Входы КУЗ соединены с выходами ИОС, представляющего со­ бой набор ЦАП, управляющие входы которых соединены шиной управ­ ления с процессором микроЭВМ. Выходы КУЗ шиной уставок соедине­ ны с задающими входами реагирующих и блокирующих органов. Входы КУ4 соединены с выходами реагирующих и блокирующих орга­ нов, а также выходами элементов выдержки времени. Выходы КУ4 соединяются с входами элементов выдержки времени и входами выход­ ных органов защиты. Кроме того, к входам и выходам КУ4 шиной соединений подключаются оставшиеся элементы набора внешних эле­ ментов, например сумматоры, элементы логики и т.д. В конкретном случае число и тип этих элементов определяются на стадии проектирова­ ния РЗ в зависимости от конфигурации защищаемой сети и режимов ее работы. Входы КУ5 шиной управляющих воздействий соединены с выходами исполнительных органов защиты, а его выходы —с органа­ ми дистанционного управления приводами АВ защищаемой сети и сиг­ нализацией. Решения о том, какие структуры РЗ целесообразно приме­ нять для той или иной конфигурации 03, возникающей в процессе опе­ ративных переключений силовых АВ, принимаются разработчиком на стадии проектирования и закладываются в базу данных в виде таблицы соединений внешних элементов ФУ.

Рассмотрим функционирование системы РЗ. Информация о состоянии силовых АВ поступает на входы КУ1. В зависимости от оперативного состояния АВ образуется позиционный код, передаваемый по инфор­ мационной шине в процессор микроЭВМ, который в зависимости от содержания кода определяет адрес той области памяти, куда ему сле­ дует обратиться за получением указаний о структуре РЗ. Эти указания имеют вид таблицы соединений и определяют, какие именно элементы из набора ФУ и каким образом должны быть соединены, чтобы в ре­ зультате было скоммутировано необходимое устройство РЗ. Процессор, получив при помощи контроллера эти указания, вырабатывает ряд ко­ манд, передающихся по шине управления к КУ2-КУ5, которые и произ­ водят необходимые электрические соединения внешних элементов, в результате чего создается устройство РЗ, построенное на основе наибо­ лее целесообразного с точки зрения выявления КЗ физического принци­ па для данной конфигурации электрической сети (например, максималь­

154

ной токовой защиты — МТЗ). (^коммутированное устройство РЗ суще­ ствует до тех пор, пока не произойдет изменение топологии сети, после которой аналогичным образом будет скоммутирована наиболее целе­ сообразная для новой конфигурации сети РЗ (например, дифференциаль­ ная). Наряду с этим может обеспечиваться параметрическая адаптация устройств РЗ путем корректировки их уставок.

Рис. 5.2. Влияние топологии распределительной сети на функциональный состав системы РЗ:

а — исходная топология сети; б —все АВ включены; в — включены АВ 2, 3, 5, 7; г - включены АВ 2, 4

155

Взависимости от сложности топологии защищаемой сети микроЭВМ

всоответствии с имеющимися указаниями может скоммутировать од­ ну или несколько структур несвязанных РЗ. Поясним сказайное на при­ мере сети, изображенной на рис. 5.2. В режиме, когда все АВ включены (рис. 5.2,6) и сеть имеет самую сложную конфигурацию, для ее защиты необходимо организовать несколько автономных РЗ: дифференциаль­ ные защиты шин ДЗШ1 и ДЗШ2 (в скобках на рисунке указаны номера точек, информация ИПТ которых используется в данном автономном устройстве РЗ), дифференциальную защиту линии ДЗЛ, четыре комп­ лекта максимальной токовой защиты МТ31-МТ34, один из которых (МТЗЗ) защищает нагрузку, питаемую от силового преобразователя

Щ.Защиты генераторов как не входящие в систему защиты сети не рассматриваются. В режиме, когда включена лишь часть АВ (например, 2, 5, 5, 7 - рис. 5.2,в) все находящееся в работе электрооборудование может быть защищено тремя комплектами максимальной токовой

защиты - МТ31 (5), МТЗЗ (8), МТЗЗ (5). В простейшем режиме электри­ ческая сеть вырождается в тупиковую цепь (рис. 5.2,г), защиту кото­ рой осуществляет МТ31 (4)..

5.3. СИСТЕМА МПРЗ С АСИНХРОННОЙ ПЕРЕ КОММУТАЦИЕЙ МИНИМИЗИРОВАННОГО НАБОРА ФУ

Структуру универсальной МПРЗ, описанную в предыдущем парагра­ фе, можно развить далее, если ей придать функции некоторой самоор­ ганизации. Такие устройства перспективны для защиты объектов с бо­ лее динамичной реконфигурацией (особенно это относится к автоном­ ным ЭЭС). На рис. 5.3 приведена структурная схема гибкой МПРЗ с элементами самоорганизации и процедурно-аппаратным программиро­ ванием структуры. Схема в определенной мере аналогична приведенной на рис. 5.1 и является ее дальнейшим развитием. Основные отличия име­ ются в функциях БУ защиты. С целью экономии аппаратных средств защиты в отличие от предыдущего варианта БУ рассматриваемой схемы формирует структуры РЗ из минимизированного функционально пол­ ного набора ФУ. Причем один и тот же ФУ может быть использован в нескольких структурах РЗ, формируемых БУ в различные по времени моменты в зависимости от конфигурации 03 и его режимов.

Вспомогательные контакты силовых АВ при помощи КУ1 соединя­ ются с МП1 микроЭВМ и образуют входные цепи устройства защиты, передающие по информационной шине данные о конфигурации защи­ щаемой сети. Процессор МП1 через контроллер К1 имеет доступ к ПЗУ1, в котором хранится специализированная база данных, содержащая информацию о том, какой тип защиты (или набор защит) является оп­ тимальным, например, по своим функциональным возможностям и чув­ ствительности для любой из возможных конфигураций защищаемой сети, какие из установленных в электрической сети ИП следует ис-

156

Измерительные

преобразователи

Набор внешних элементов

Рис. 5.3. Структурная схема универсальной МПРЗ с асинхронной перекоммутацией ФУ

пользовать в рекомендованном типе защиты и на какие силовые АВ необходимо воздействовать при КЗ. Выходные цепи МП1 соединены с входными цепями МП2. Последний соединен с ОЗУ, в котором содер­ жится текущая информация о том, какие функциональные узлы из об­ щего числа входящих в набор внешних элементов уже задействованы в системе защиты, а какие, напротив, свободны и могут быть использова­ ны для построения необходимых типов автономных устройств РЗ. Кро­ ме того, МП2 через контроллер К2 имеет доступ к ПЗУ2, в котором хра­ нится библиотека типовых структур (коммутационных графов), содер­ жащая информацию о том, какие ФУ из набора внешних элементов и каким образом следует соединить, чтобы реализовать определенный МП1 тип защиты. Например, для реализации максимальной токовой ав­ тономной защиты типовой коммутационный граф будет иметь вид: выход l-то ИПТ соединить с измерительным входом /-го реагирующего органа, выход /-го реагирующего органа соединить с входом m-то эле­ мента выдержки времени, выход m-то элемента выдержки времени со­ единить с входом m-го выходного органа, выход k-то выходного орга­ на соединить с цепью дистанционного управления отключающего рас­ цепителя <?-го силового АВ, а задающий вход /-го реагирующего орга­ на соединить с п-м выходом ИОС. Выходные цепи МП2 аналогично схе­ ме рис. 5.1 шинами управления соединены с управляющими входами коммутирующих устройств КУ2-КУ5. Введение в структуру системы защиты МП1 и МП2 по сути приводит к реализации БУ с расширенны­ ми функциональными возможностями, который может быть определен как система автоматов с программируемой коммутацией и структурой.

Рассматриваемая система РЗ помимо измерения заданных параметров, их оценки и генерации управлющих воздействий выполняет также опе­ рации самоорганизации структуры, при которых граф системы в целом определяется графами отдельных автономных устройств защиты и функцией коммутации системы.

Информация о состоянии силовых АВ поступает на входы КУ1, в результате чего образуется код, который по информационной шине передается в МП1. В зависимости от содержания кода МП1 определяет адрес той области памяти ПЗУ1, куда ему следует обратиться за полу­ чением указаний, которые далее поступают на вход МП2. При этом код, задающий тип защиты (или набор защит) для существующей конфигу­ рации защищаемой сети, определяет область памяти ПЗУ2, куда следует обратиться МП2 и в которой хранится типовой коммутационный граф, имеющий вид обезличенной таблицы соединений датчиков, ФУ из внеш­ него набора элементов и цепей дистанционного управления отключающи­ ми расцепителями силовых АВ.

В зависимости от сложности защищаемой сети управляющие микроЭВМ могут реализовать одну или несколько связанных или несвязан­ ных автономных РЗ. Это хорошо иллюстрируется данными, приведенны­ ми на рис. 5.2. Объем и состав ФУ набора внешних элементов, достаточ-

158

Объект защиты

Рис. 5.4. Функциональная схема универсальной МПРЗ с процедурно-аппаратным программированием структуры

ный для технической реализации коммутационных графов, хранящихся в ПЗУ2, определяется структурой РЗ, необходимой для защиты сети наиболее развитой и сложной конфигурации. Кдк и предыдущий, рас­ сматриваемый вариант РЗ не предъявляет жестких требований к управ­ ляющей микроЭВМ, так как ее функции сводятся к анализу в эксплуата­ ционных режимах соответствия структуры защиты существующей кон­ фигурации электрической сети или к организации новой структуры за­ щиты в случае неадекватности структур защиты и сети.

Функциональная схема рассматриваемой универсальной РЗ (УРЗ) с процедурно-аппаратным программированием структуры представлена на рис. 5.4, где £ ип [A1, YlZ l ,5*, X1, а1 (0), а1 (г)]; ••• ; 2„п И 7,

соответственно схемы коммутации блока измерительных преобразова­ телей (ИП) и решающего блока (РБ), настройки РБ, коммутации РБ и исполнительного блока (ИБ). Данные схемы эквивалентны набору ука­ заний о том, какие ИП, каким образом и с какими измерительными вхо­ дами реагирующих органов следует соединить, как должны быть скоммутированы и настроены элементы РБ (сумматоры, схемы сравнения, элементы логики и т.п.), какие ИБ защит, каким образом и с какими элементами РБ защит следует соединить, чтобы реализовать наиболее эффективный по функциональным возможностям и чувствительности тип защиты и обеспечить рациональный алгоритм ее функционирования в зависимости от конфигурации и режимов работы защищаемого объек­ та. Однако данная совокупность графов автоматов есть лишь разрознен­ ный набор нормативных указаний.

Настройка или перестройка системы УРЗ в целом определяется про­ граммой коммутации я {/:} и входной текущей информацией X(t ). Отметим, что для полного описания системы автоматов с программиру­ емыми коммутацией и структурами необходима совокупность следу­

мирования в рассматриваемой системе автоматов необходимо иметь

160