МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ Российский патент 2001 года по МПК H02H7/26 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты.

Известна система защиты [А. С. H 02 H 7/26, N 1833937, Б.И. N 30, 15.08.93] [1] , содержащая выключатели, первичные преобразователи тока, аналого-цифровые преобразователи, элементы И, блоки логики, элементы ИЛИ, исполнительные органы, выполняет функции токовой защиты двигателей, но обладает низкой надежностью из-за отсутствия контроля и диагностики входных цепей.

Известна микропроцессорная система защиты [Н.Н. Чернобровов, В.А. Семенов "Релейная защита энергетических систем", 1998 г., стр. 784, рис. 22.5] [2] , содержащая трансформаторный блок, частотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь, центральный процессорный блок выполняет функции защиты объекта, но также обладает невысокой надежностью из-за отсутствия контроля и диагностики входных цепей блока трансформатора.

Наиболее близким техническим решением является микропроцессорная система защиты [Н. Н. Чернобровов, В. А. Семенов "Релейная защита энергетических систем", 1998 г. , стр.776, рис. 22.1] [3], содержащая блоки промежуточных трансформаторов (блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения), блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему (микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты), причем группы выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения соединены с группами входов блока частотных фильтров, группа выходов которого соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя, группа входов-выходов которого соединена с первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, вторая группа входов-выходов которой является группой входов-выходов сигнального устройства, третья группа входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты является группой входов-выходов персональной ЭВМ.

В прототипе также отсутствует контроль и диагностика входных цепей вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения, что в случае обрыва или замыканий которых приведет к нарушению работоспособности системы и к снижению ее надежности.

Цель изобретения - повышение надежности системы за счет организации контроля и диагностики входных цепей вторичных обмоток промежуточных трансформаторов тока и напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известную систему, содержащую блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, причем группы выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения соединены, соответственно, с первой и второй группами входов блока частотных фильтров, группа выходов которого соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя, группа входов-выходов которого соединена с первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, введен формирователь сигналов контроля и диагностики, группа входов которого соединена с группой выходов аналого-цифрового преобразователя, первая группа выходов формирователя сигналов контроля и диагностики соединена со второй группой входов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока, на первую группу входов которого поступают токовые сигналы с защищаемого объекта, вторая группа выходов формирователя сигналов контроля и диагностики соединена со второй группой входов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения, на первую группу входов которого поступают сигналы напряжения с защищаемого объекта, причем формирователь сигналов контроля и диагностики содержит n-транзисторных групп по числу трансформаторов из состава блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, каждая из которых состоит из двух транзисторов, первый типа p-n-p и второй типа n-p-n и четырех резисторов, причем каждый выход группы выходов аналого-цифрового преобразователя соединен со входом соответствующего первого резистора n-группы формирователя сигналов контроля и диагностики, выход которого соединен с эмиттером первого транзистора и входом второго резистора, выход которого соединен с базой первого транзистора, коллектор которого соединен с базой второго транзистора и входом третьего резистора, выход которого соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен со входом четвертого резистора, выход которого является выходом одной из групп выходов формирователя сигналов контроля и диагностики.

На фиг. 1 приведена структурная схема микропроцессорной системы;
на фиг. 2 - пример реализации блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения;
на фиг. 3 - пример реализации блока частотных фильтров;
на фиг. 4 - структурная схема формирователя сигналов контроля и диагностики;
на фиг. 5 - пример реализации аналого-цифрового преобразователя.

На фиг. 1 обозначены:
1 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока;
2 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения;
3 - формирователь сигналов контроля и диагностики;
4 - блок частотных фильтров;
5 - аналого-цифровой преобразователь;
6 - микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты;
7 - группа токовых сигналов защищаемого объекта;
8 - группа сигналов напряжения защищаемого объекта;
9, 10 - группы сигналов контроля и диагностики;
11, 12 - группы выходных сигналов с блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения;
13 - группа сигналов блока частотных фильтров;
14 - группа входов-выходов аналого-цифрового преобразователя;
15 - группа входов-выходов для связи с внешними устройствами, т.е. входы-выходы устройства аналогового ввода-вывода (УАВВ) и входы-выходы устройства дискретного ввода-вывода (УДВВ);
16 - группа входов-выходов для связи с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ);
17 - группа сигналов управления для формирователя сигналов контроля и диагностики.

На фиг. 2 приведены структурные схемы блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения. На схеме приведены примеры реализации одной из гальванических развязок и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения из общего количества гальванических развязок и предварительного масштабирования входных сигналов, определяемых количеством входных аналоговых сигналов тока и напряжения.

На фиг. 2 обозначены:
18 - операционный усилитель преобразователя измерительного тока блока гальванической развязки и масштабирования входных сигналов в виде тока;
19 - операционный усилитель преобразователя измерительного напряжения блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения. В качестве операционных усилителей можно использовать микросхему типа QP177GP или аналогичную.

R, R1 - резисторы типа C2-33 или аналогичные;
T - трансформаторы тока или напряжения типа TT-1T ... TT-5T, TH-1T или аналогичные;
I, II и III - первичные и вторичные обмотки трансформатора;
Д - диоды типа 2D510A или аналогичные;
V1 - транзистор типа BD135 или аналогичный;
V2 - транзистор типа BD136 или аналогичный.

На фиг. 3 обозначены:
R - резисторы типа C2-29B или аналогичные;
C - конденсаторы типа K73-39 или аналогичные;
I_T - ток выходной формирователя сигналов контроля и диагностики;
На фиг. 4 обозначены:
20 ... 23 - первый ... четвертый резисторы типа C2-33 или аналогичные;
24 - транзистор типа BC327 или аналогичный;
25 - транзистор типа BC547 или аналогичный;
На фиг. 5 обозначены:
26 - мультиплексор, может быть реализован на микросхеме типа ADG4288A или аналогичной;
27 - аналого-цифровой преобразователь, может быть реализован на микросхемах AD677AD и REF-01CP или аналогичных;
28 - микропроцессорное устройство, может быть реализовано на микросхеме типа ADSP-2115BP-66 с памятью M27C256 или аналогичной;
29 - буферные регистры, могут быть реализованы на микросхеме типа 74HC374N или аналогичной;
30 - дешифратор, может быть реализован на микросхеме типа 74HC138N или аналогичной, например 1554ИД7.

Микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 6 может быть реализована в соответствии с [3] рис. 22.4., причем входы-выходы 15 выводятся из устройства УАВВ и УДВВ, а входы-выходы 16 выводятся из последовательного порта RS-232, который присутствует в каждой микропроцессорной системе (на рис. 22.4 последовательный порт не показан).

Микропроцессорная система защиты содержит блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2, формирователь сигналов контроля и диагностики 3, блок частотных фильтров 4, аналого-цифровой преобразователь 5 и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 6, первая группа входов 7 блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 является группой токовых сигналов с защищаемого объекта, группа сигналов напряжения которого является первой группой входов 8 блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения 2, вторая группа входов 9 которого соединена со второй группой выходов формирователя 3 сигналов контроля и диагностики, первая группа выходов 10 которого соединена со второй группой входов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока, группа выходов 11 которого соединена с первой группой входов блока частотных фильтров 4, вторая группа входов 12 которого соединена с группой выходов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения, группа выходов 13 блока частотных фильтров соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя 5, группа выходов 17 которого соединена с группой входов формирователя сигналов контроля и диагностики 3, группа входов-выходов 14 аналого-цифрового преобразователя является первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 6, вторая группа входов-выходов 15 которой является группой входов-выходов внешнего (сигнального) устройства, третья группа входов-выходов 16 микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 6 является группой входов-выходов для связи с ПЭВМ, формирователь сигналов контроля и диагностики 3 содержит n-транзисторных групп, по числу трансформаторов из состава блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2, каждая из которых состоит из двух транзисторов 24 типа p-n-p и 25 типа n-p-n и четырех резисторов 20...23, каждый выход группы выходов 17 аналого-цифрового преобразователя 5 соединен со входом соответствующего первого резистора 20 соответствующей группы формирователя сигналов контроля и диагностики 3, выход которого соединен с эмиттером первого транзистора 24 и входом второго резистора 21, выход которого соединен с базой первого транзистора 24, коллектор которого соединен с базой второго транзистора 25 и входом третьего резистора 22, выход которого соединен с эмиттером второго транзистора 25, коллектор которого соединен со входом четвертого резистора 23, выход которого является выходом одной из групп 10 или 9 выходов формирователя сигналов контроля и диагностики.

Микропроцессорная система защиты работает следующим образом: сигналы от первичных трансформаторов тока и напряжения защищаемого объекта поступают через резисторы R на промежуточные трансформаторы T блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения 1 и 2.

Промежуточные трансформаторы T обеспечивают гальваническую развязку и предварительное масштабирование входных сигналов. Первичные обмотки трансформаторов обеспечивают заданную термическую стойкость при перегрузках. Прецизионные усилители, реализованные на микросхемах 18 и 19, диодах D, резисторах R, транзисторах V1 и V2, служат для точного масштабирования сигналов и согласованияимпедансов промежуточных трансформаторов и аналого-цифрового преобразователя. С выходов прецизионных усилителей сигналы поступают на входы аналоговых фильтров блока частотных фильтров 4. Фильтры нижних частот пропускают составляющие тока и напряжения определенной частоты и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами, искажающими синусоиду тока и напряжения. Далее аналоговые сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую), т. к. последующая обработка сигналов будет производиться цифровыми микросхемами. Входные отфильтрованные сигналы по n-каналам группы сигналов 13 поступают на мультиплексор 26, который производит последовательное подключение входа АЦП 27 к одному из n-каналов. Всей работой аналого-цифрового преобразователя 5 управляет микропроцессорное устройство 28, которое обеспечивает цифровую фильтрацию входных сигналов, расчет вторичных электрических параметров сети, выполнение процедур самодиагностики, формирование управляющих сигналов для контроля и диагностики, поступающих через дешифратор 30 по группе выходных сигналов 17 на формирователь сигналов контроля и диагностики 3, а также поддерживает обмен с микропроцессорной системой управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 6 через буферные регистры 29 по группе входов-выходов 14. Таким образом микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты получает значения электрических параметров защищаемого объекта из аналого-цифрового преобразователя 5 и информацию о состоянии дискретных входов от УДВВ. На основании этой информации, а также значений программных ключей и установок, хранящихся в ППЗУ, вырабатываются команды управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, которые поступают по каналу 15 на объекты управления и сигнализации. Помимо выполнения функций защиты и автоматики центральный процессор микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты [Н.Н. Чернобровов, В.А. Семенов "Релейная защита энергетических систем", 1998 г., стр. 778, рис. 22.4] управляет минидисплеем, обслуживает клавиатуру пульта, а также обеспечивает обмен с персональной ЭВМ по каналу 16. Более подробная информация о работе микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты приведена в [Н.Н. Чернобровов, В.А. Семенов "Релейная защита энергетических систем", 1998 г., стр. 778-783].

Формирователь сигналов контроля и диагностики работает следующим образом:
в исходном состоянии формирователь сигналов контроля и диагностики отключен. На входе резистора 20 находится потенциал земли, при этом транзистор 24 заперт (его база и эмиттер имеют одинаковый потенциал), потенциал базы транзистора 25 равен - 15 В, соответственно транзистор 25 заперт. При этом формирователь сигналов контроля и диагностики не оказывает влияния на работу блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения.

При проведении тестирования в режиме контроля или диагностики на вход резистора 20 с дешифратора 30 подается положительный потенциал (+5 В). Транзистор 24 открывается, что приводит к увеличению потенциала на базе транзистора 25 до уровня (-14,3 В) и, соответственно, к открыванию транзистора 25. Параметры элементов схемы подбираются таким образом, что при открывании транзистора 24, транзистор 25 переходит в режим насыщения. При этом потенциал на входе 2 усилителя 18 равен нулю (т.к. усилитель 18, транзисторы V1, V2 и соответствующие резисторы образуют схему преобразователя ток - напряжение). При открытом (насыщенном) транзисторе 25, через транзистор 25, резистор 23 и обмотки II и III трансформатора T начинает проходить ток от источника -15 В на землю (⊥), сопротивление резистора 23 выбирается много большим, чем активные сопротивления обмоток трансформатора II и III. Это обеспечивает малое влияние на величину тока технологического разброса сопротивлений обмоток трансформатора и изменения сопротивления обмоток при изменении температуры. Таким образом, величина выходного тока формирователя сигналов контроля и диагностики определяется резистором 23. Ток через трансформатор I_Т делится между обмотками II и III обратно пропорционально сопротивлению (активному) обмоток. Т. к. число витков в обмотках одинаково, то токи, протекающие через обмотки, приблизительно равны. При этом на вход 2 усилителя 18 втекает ток ≈I_Т/2. Этот ток вызывает на выходе преобразователя появление положительного потенциала, равного ≈ (I_Т/2)K_ТН, где K_ТН - коэффициент передачи преобразователя ток-напряжение (K_ТН = R1).

При обрыве обмотки II или выходе из строя преобразователя ток-напряжение выходной сигнал на выход преобразователя не проходит. При обрыве обмотки III весь ток I_Т поступает на вход 2 усилителя 18 и амплитуда импульса на выходе преобразователя увеличивается в два раза.

При наличии сигнала в обмотке I этот сигнал складывается с сигналом, вызываемым током I_Т. Преобразователь считается неисправным, если выполняется хотя бы одно из двух условий:
U_ВЫХ < U_ПН,
U_ВЫХ > U_ПВ,
где U_ВЫХ - выходное напряжение преобразователя при включении режима тестирования (контроль/диагностика);
U_ПН - нижнее пороговое напряжение;
U_ПВ - верхнее пороговое напряжение;
U_ПН выбирается по формуле:
U_ПН ≅ K_ЗНK_ТН(I_Т/2 - K_ТРI_ВХ),
где K_ЗН - коэффициент запаса нижнего порога;
K_ТН - коэффициент передачи преобразователя ток-напряжение;
I_ВХ - амплитуда входного сигнала, при котором производится тестирование;
K_ТР - коэффициент трансформации.

K_ТН должен учитывать допустимые отклонения величины тока I_Т, вызванные разбросом сопротивлений резистора 23 и транзистора 25, колебаниями напряжения питания -15 В, а также разбросом сопротивлений обмоток трансформатора II и III.

U_ПВ выбирается по формуле:
U_ПН ≥ K_ЗВK_ТН(I_Т/2 - K_ТРI_ВХ),
где K_ЗВ - коэффициент запаса верхнего порога.

При определении K_ЗВ необходимо учитывать те же факторы, что и при определении K_ЗН. Таким образом введение формирователя сигналов контроля и диагностики позволяет контролировать работу блоков гальванической развязки и предварительно масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения и диагностировать исправность входных цепей (наличие обрыва), что повышает надежность микропроцессорной системы.

Изобретение может быть использовано в технике релейной защиты объектов. Технический результат - повышение надежности системы за счет организации контроля и диагностики входных цепей (вторичных обмоток промежуточных трансформаторов тока и напряжения). Система содержит блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, формирователь сигналов контроля и диагностики. Предложенная система необходима для выполнения функций релейной защиты, автоматики, измерения, осциллографирования, регистрации, управления и контроля присоединений и предназначена для установки в ячейках КРУ вводных, секционных, фидерных выключателей, трансформаторов и электродвигателей. 5 ил.

Микропроцессорная система защиты, содержащая блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, причем группы выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения соединены соответственно с первой и второй группами входов блока частотных фильтров, группа выходов которого соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя, группа входов-выходов которого соединена с первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, отличающаяся тем, что она содержит формирователь сигналов контроля и диагностики, группа входов которого соединена с группой выходов аналого-цифрового преобразователя, причем первая группа выходов формирователя сигналов контроля и диагностики соединена со второй группой входов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока, вторая группа выходов формирователя сигналов контроля и диагностики соединена со второй группой входов блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения, причем формирователь сигналов контроля и диагностики содержит n-транзисторных групп по числу трансформаторов из состава блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, каждая из которых состоит из двух транзисторов типа р-n-р и типа n-р-n и четырех резисторов, причем каждый выход группы выходов аналого-цифрового преобразователя соединен с соответствующим входом первого резистора соответствующей группы, выход которого соединен с эмиттером первого транзистора и входом второго резистора, выход которого соединен с базой первого транзистора, коллектор которого соединен с базой второго транзистора и входом третьего резистора, выход которого соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен со входом четвертого резистора, выход которого является выходом одной из групп выходов формирователя сигналов контроля и диагностики.