МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ Российский патент 2018 года по МПК H02H7/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области защиты электрических линий и приборов, в частности к микропроцессорному устройству релейной защиты и автоматики (МУРЗ) электрических сетей 6-35 кВ.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики присоединений (патент № 140341, 10.05.2014), выполненное в прямоугольном металлическом корпусе, в виде кассеты блочно-унифицированной конструкции, состоящее из следующих основных узлов: блок питания, блок трансформаторов тока, блок дискретных входов, блок выходных реле, органы оповещения и оперативного взаимодействия оператора с устройством на лицевой панели корпуса и блок центрального процессора, обеспечивающий взаимодействие между всеми входящими в состав устройства блоками в соответствии с алгоритмами защиты и содержащий регистратор событий, причем органы оповещения и оперативного взаимодействия оператора с устройством выполнены в виде сенсорного дисплея, выполненного с возможностью управления с помощью кнопок на экране дисплея, в блок центрального процессора введены элементы аудиовизуализации, блок задания уставок и элемент связи USB, выведенный на лицевую панель корпуса.

Основным недостатком известного решения является его ограниченные функциональные возможности, что приводит к его низкой универсальности применения, в частности не могут быть выполнены следующие функции: защита минимального напряжения (ЗМН), защита от повышения напряжения (ЗПН), контроль исправности цепей напряжения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение надежности работы электрических сетей 6-35 кВ, обеспечение стабильного электроснабжения, а также расширение функциональных возможностей за счет реализации функции контроля напряжения.

Техническим результатом является повышение надежности работы электрических сетей 6-35 кВ за счет реализация функции контроля напряжения.

Дополнительными техническими результатами являются обеспечение работы максимальной токовой защиты без оперативного питания за счет конструкции блока питания, а также возможность удаленной установки лицевой панели управления от основного корпуса за счет выполнения ее съемной.

Заявленный результат достигается за счет микропроцессорного устройства релейной защиты и автоматики, которое содержит корпус, в котором установлены, объединенные общей шиной данных:

− процессорный модуль, содержащий один или более процессоров и модуль часов реального времени, осуществляющий основную вычислительную обработку;

− блок памяти, содержащий ПЗУ и ОЗУ;

− интерфейсы связи, выполненные с возможностью связи с внешними вычислительными устройствами;

− модули релейной защитной автоматики (РЗА), соединенные с процессорным модулем и включающие в себя измерительные модули, состоящие из модуля аналоговых выходов и модуля дискретных выходов, модуля реле, представлявшего собой модуль дискретных выходов, и совмещенный модуль дискретных входов/выходов;

− лицевую панель, подключаемую посредством проводного интерфейса связи, содержащую микроконтроллер, интерфейсы связи с внешними вычислительными устройствами, дисплей, светодиоды, клавиатуру, причем лицевая панель выполнена съемной с возможностью удалённого управления МУРЗ;

− блок питания, выполненный с возможностью сохранения работоспособности устройства при потери оперативного питания;

− и модуль аналоговых входов содержит АЦП, предназначенный для преобразования поступающих аналоговых сигналов, содержит гальванически развязанные входные каналы и служит для измерения токов и напряжений по трем фазам и нулевой последовательности. В частном варианте осуществления интерфейсы связи представляют собой RS-485, и/или Ethernet, и/или USB.

В частном варианте осуществления ПЗУ представляет собой flash-память, SD карту, eMMC, Data Flash или их сочетание.

В частном варианте осуществления лицевая панель подключается к процессорному модулю по USB интерфейсу.

В частном варианте осуществления лицевая панель содержит USB интерфейс для подключения внешних вычислительных устройств.

В частном варианте осуществления модуль дискретных входов представляет гальванически развязанные входные дискретные каналы, управляемые напряжением внешнего источника и предназначенные для приема команд от внешних устройств.

В частном варианте осуществления модуль дискретных выходов осуществляет выдачу сигналов управления и сигнализации по гальванически развязанным контактным выходам.

В частном варианте осуществления модуль дискретных входов/выходов выполняется с возможностью представления гальванически развязанных входных дискретных каналов, управляемых напряжением внешнего источника и предназначенных для приема команд от внешних устройств, и выдачей сигналов управления и сигнализации по гальванически развязанным контактным выходам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 иллюстрирует общую схему заявленного устройства.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

МУРЗ предназначено для выполнения функций релейной защиты и автоматики (РЗА), управления и сигнализации воздушной (ВЛ) или кабельной линии электропередачи напряжением 6–35 кВ. Устройство может устанавливаться в релейных отсеках комплектных распределительных устройств (КРУ), комплектных распределительных устройств наружной установки (КРУН) и камер сборных одностороннего обслуживания (КСО), на панелях и в шкафах в релейных залах и на пультах управления, а также в релейных шкафах наружной установки на открытых распределительных устройствах (ОРУ).

Согласно Фиг. 1 заявленное МУРЗ (100) содержит основной вычислительный процессорный модуль (101), который может содержать один или более процессоров. Процессорный модуль (101) обеспечивает передачу, нормирование, оцифровку, считывание, диагностику подключаемых дискретных, аналоговых, сетевых модулей, а также отвечает за работу логики РЗА, хранит настройки алгоритмов, журналы и осуществляет управление выходными реле устройства.

Процессорный модуль (101) содержит также часы реального времени (RTC) (102), которые позволяют фиксировать текущее время события.

С процессорным модулем (101) связан блок памяти (103), который содержит ОЗУ и ПЗУ. ОЗУ предназначено для выполнения программного алгоритма во время работы устройства, а также для хранения входных, выходных и промежуточных данных, обрабатываемых процессором.

ПЗУ, в частности, выполняется в виде DataFlash, eMMC, SD, NAND или их сочетаний, в зависимости от реализации устройства (100).

DataFlash - описывает устройство ПЗУ размером около 8Мб предназначенным для хранения загрузчика «второго уровня», ядра ОС, уставок и других конфигурационных файлов. eMMC/SD/NAND - описывает устройство ПЗУ, размером свыше 1024 Мб, предназначенное для хранения корневой файловой системы и файлов записи журналов, регистратора, файлов осциллограмм. Корневая файловая система включает в себя исполняемые файлы для корректной работы блока релейных защит. Если DataFlash отсутствует то на этой ПЗУ выделяется раздел который хранит загрузчик, ядро настройки, уставки защит и другие конфигурационные файлы.

Первый уровень загрузчика обеспечивает: самодиагностику и тестирование устройства; обработку аналоговых и дискретных входных - выходных сигналов; работу защит, автоматики, сигнализации и управления; запись и чтение журнала аварий; запись и чтение журнала сообщений и осциллограмм; определение места повреждения; работу клавиатуры, светодиодов, пульта; работу последовательных каналов; поддержку часов реального времени.

Второй уровень загрузчика обеспечивает: конфигурацию и уставки защит, автоматики, сигнализации и управления; дополнительные алгоритмы, созданные пользователем и учитывающие особенности защищаемого присоединения; настройки свободно назначаемых выходных реле; настройки оперативных и аварийных событий, созданные пользователем; настройки состава осциллограмм; настройки свободно назначаемых светодиодов; настройки коммуникаций для связи с АСУ; настройки функций синхронизации времени блока.

К процессорному модулю также подключен АЦП (104), предназначенный для преобразования поступающих аналоговых сигналов на устройство (100). Особенностями АЦП (104) является высокая степень интеграции при небольшом энергопотреблении – в среднем 2 мВт/канал. АЦП (104) являются интегрированным решением, содержащим, как правило, следующие блоки:

1) 24(16)-битные сигма дельта АЦП, по одному на канал, с возможностью одновременного измерения;

2) источник опорного напряжения (ИОН);

3) усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA),

4) компараторы для обнаружения сбоев в линии;

5) для тестирования сигнального тракта в АЦП встроен генератор сигналов.

Такая интеграция позволяет упростить сигнальный тракт и обеспечить полную обработку сигнала на минимальной площади. Для согласования входных величин и гальванической развязки используются измерительные трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН).

Диапазон входного напряжения АЦП ±4 В.

К центральной плате по общей шине данных к процессорному модулю (101) подключены модули РЗА (106), содержащие измерительные модули (аналоговых (1061) и дискретных входов (1062)), модуль группы реле (1064) (дискретных выходов) и совмещенный модуль дискретных входов/выходов (1063).

Модуль аналоговых входов (1061) представляет собой гальванически развязанные входные каналы, служит для измерения токов и напряжений по трем фазам и нулевой последовательности. Модуль аналоговых входов (1061) осуществляет преобразование и оцифровку входных величин. Полученные показатели напряжения подаются на АЦП (104), где происходит преобразование и выдача цифровых пакетов, одновременно со всех каналов, в ядро устройства по интерфейсу SPI.

Модуль дискретных входов (1062) представляет гальванически развязанные входные дискретные каналы, управляемые напряжением внешнего источника и предназначенные для приема команд от внешних устройств. Модуль (1062) состоит из входного фильтра-ограничителя, формирователя входного сопротивления, порогового органа с гистерезисом, формирователя импульса режекции и гальванической развязки, через которую сигналы передаются в процессорный модуль (101).

Модуль дискретных выходов (1064) осуществляет выдачу сигналов управления и сигнализации по гальванически развязанным контактным выходам.

Основные параметры модуля дискретных входов:

1) количество выходных реле — 10;

2) длительно допустимый ток через контакты 5 А;

3) коммутационная способность контактов выходных реле, действующих на внешние цепи постоянного тока с индуктивной нагрузкой и постоянной времени, не превышающей 0,05 с, 0,5/0,25/0,22А при напряжении соответственно 110/220/250В;

4) выходы устройства обеспечивают коммутацию цепей с активной нагрузкой (цепи сигнализации) при токе не более 0,15 А и напряжении постоянного тока 220 В;

5) коммутационная способность контактов выходных реле, действующих на внешние цепи переменного тока, 8 А при напряжении 250 В;

6) коммутационная износостойкость контактов, действующих на внешние цепи постоянного тока – не менее 12500 циклов при постоянной времени 0,005 с.

Модуль дискретных входов/выходов (1063) выполняется по аналогии с модулями дискретных входов и выходов, совмещая их функции. Данный модуль (1063) используется для расширения возможностей устройства в зависимости от схемы подстанции, к которой подключено МУРЗ (100). Такими функциями являются получение/передача дополнительных дискретных сигналов с другими устройствами подстанции (сигналы разрешения, блокировки, сигнализации).

Интерфейсы связи (105) могут содержать разъемы типа USB/RS485/Ethernet, которые используются для подключения лицевой панели (108) и внешних вычислительных устройств (109), таких как персональный компьютер, ноутбук или иной тип вычислительного устройства.

Лицевая панель подключается к устройству посредством USB кабеля и может устанавливаться удаленно от основного корпуса устройства (100) и обеспечивать удаленное управление работой устройства (100). Лицевая панель (108) выполнена автономным модулем на собственном микроконтроллере (1081). На лицевой панели располагаются микроконтроллер (1081) клавиатура (1085), дисплей (1083), светодиодная индикация (1084) и USB разъем (1085) для конфигурирования устройства с помощью вычислительного устройства (109) и копирования сохраненных данных в память устройства (103).

Микроконтроллер (1081) управляет светодиодами (1084) лицевой панели, осуществляет вывод информации на дисплей (1083), получение команд ввода с клавиатуры (1085), обмен данными с процессорным модулем (101) посредством интерфейса связи (1082), в частности USB интерфейса.

Лицевая панель (108) может устанавливаться отдельно от основного корпуса устройства (100), при этом лицевая панель (108) подключается к модулю центрального процессора (101) с помощью USB кабеля. Устройство (100) может работать без лицевой панели (108), в этом случае конфигурирование устройства (100) осуществляется с помощью вычислительного устройства (109) через USB разъем (1082).

Устройство (100) содержит блок питания (107), который обеспечивает работу устройства (100) при отключении оперативного питания. Номинальное напряжение оперативного питания: постоянного тока — 24/110/220 В; переменного тока — 100/220 В. Рабочий диапазон напряжения оперативного питания от 80% до 120%. Время готовности устройства к работе после подачи оперативного питания - не более 0,25 с. Устройство (100) не повреждается или ложно срабатывает при включении/отключении источника питания, после перерывов питания любой длительности с последующим восстановлением, при подаче напряжения оперативного постоянного тока обратной полярности, а также при замыканиях на землю в сети оперативного постоянного (выпрямленного переменного) тока. Устройство (100) сохраняет работоспособность при прерывании напряжения питания в режиме срабатывания не менее 2 с. Хранение и передача данных обеспечиваются продолжительное время без оперативного питания.

Использование: в области электротехники для защиты электрических линий и приборов. Технический результат - повышение надежности работы электрических сетей 6-35 кВ за счет реализация функции контроля напряжения. Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики (МУРЗ) содержит: корпус, в котором установлены объединенные общей шиной данных: процессорный модуль, содержащий один или более процессоров, осуществляющий основную вычислительную обработку, и модуль часов реального времени; блок памяти, содержащий ПЗУ и ОЗУ; интерфейсы связи, выполненные с возможностью связи с внешними вычислительными устройствами; модули релейной защитной автоматики (РЗА), соединенные с процессорным модулем и включающие в себя измерительные модули, состоящие из модуля аналоговых входов и модуля дискретных входов, модуля реле, представлявшего собой модуль дискретных выходов, и совмещенный модуль дискретных входов/выходов; блок питания, выполненный с возможностью сохранения работоспособности устройства при потере оперативного питания; причем модуль аналоговых входов содержит АЦП, предназначенный для преобразования поступающих аналоговых сигналов, содержит гальванически развязанные входные каналы и служит для измерения токов и напряжений по трем фазам и нулевой последовательности; лицевую панель, подключаемую посредством USB интерфейса связи к процессорному модулю, причем лицевая панель содержит микроконтроллер, интерфейсы связи с внешними вычислительными устройствами, дисплей, светодиоды, клавиатуру и лицевая панель выполнена съемной с возможностью удаленного управления МУРЗ. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики (МУРЗ), содержащее:

корпус, в котором установлены объединенные общей шиной данных:

процессорный модуль, содержащий один или более процессоров, осуществляющий основную вычислительную обработку, и модуль часов реального времени;

блок памяти, содержащий ПЗУ и ОЗУ;

интерфейсы связи, выполненные с возможностью связи с внешними вычислительными устройствами;

модули релейной защитной автоматики (РЗА), соединенные с процессорным модулем и включающие в себя измерительные модули, состоящие из модуля аналоговых входов и модуля дискретных входов, модуля реле, представлявшего собой модуль дискретных выходов, и совмещенный модуль дискретных входов/выходов;

блок питания, выполненный с возможностью сохранения работоспособности устройства при потере оперативного питания;

причем модуль аналоговых входов содержит АЦП, предназначенный для преобразования поступающих аналоговых сигналов, содержит гальванически развязанные входные каналы и служит для измерения токов и напряжений по трем фазам и нулевой последовательности;

лицевую панель, подключаемую посредством USB интерфейса связи к процессорному модулю, причем лицевая панель содержит микроконтроллер, интерфейсы связи с внешними вычислительными устройствами, дисплей, светодиоды, клавиатуру и лицевая панель выполнена съемной с возможностью удаленного управления МУРЗ.

2. МУРЗ по п. 1, характеризующееся тем, что интерфейсы связи представляют собой RS-485, и/или Ethernet, и/или USB.

3. МУРЗ по п. 1, характеризующееся тем, что ПЗУ представляет собой flash-память, SD карту, eMMC, Data Flash или их сочетание.

4. МУРЗ по п. 1, характеризующееся тем, что лицевая панель содержит USB интерфейс для подключения внешних вычислительных устройств.

5. МУРЗ по п. 1, характеризующееся тем, что модуль дискретных входов представляет гальванически развязанные входные дискретные каналы, управляемые напряжением внешнего источника и предназначенные для приема команд от внешних устройств.

6. МУРЗ по п. 1, характеризующееся тем, что модуль дискретных выходов осуществляет выдачу сигналов управления и сигнализации по гальванически развязанным контактным выходам.

7. МУРЗ по п. 1, характеризующееся тем, что модуль дискретных входов/выходов выполняется с возможностью представления гальванически развязанных входных дискретных каналов, управляемых напряжением внешнего источника и предназначенных для приема команд от внешних устройств, и выдачей сигналов управления и сигнализации по гальванически развязанным контактным выходам.