Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики с модулем управления вакуумным выключателем Российский патент 2023 года по МПК H02H7/26 

Область техники

Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики (далее МП УРЗА) предназначено для защиты электроэнергетической системы (далее ЭЭС), а именно для защиты оборудования ЭЭС и распределенной электрической сети (далее сети).

ЭЭС включает в себя системы производства, передачи и распределения электроэнергии. Время от времени сеть и оборудование ЭЭС находятся в условиях нарушения нормального режима работы или в условиях аварийного режима, что может привести к перебоям в производстве и доставке электроэнергии, а также повреждению оборудования ЭЭС. Чтобы защитить оборудование ЭЭС с МП УРЗА подается сигнал на отключение коммутационного аппарата, который соединяет участок сети или оборудование ЭЭС, находящиеся в аварийном режиме, и остальную неповрежденную часть ЭЭС. Необходимо как можно быстрее отключить участок сети или оборудование ЭЭС, находящиеся в аварийном режиме, от подпитки электроэнергией, чтобы исключить разрушение оборудования ЭЭС.

Заявка описывает техническое новшество в МП УРЗА ТЕКОН 300.

При описании заявленного устройства и аналогов используемые термины имеют следующее значение:

«Вычислительное управляющее устройство» (далее по тексту ЦПУ) употребляется в отношении программируемого логического устройства (микропроцессора и/или микроконтроллера).

«Магистраль» или «магистральная шина» - тип линии связи, при котором все абоненты подсоединены к общей линии связи. Общая линия связи используется всеми абонентами по очереди. Все сообщения, посылаемые отдельными абонентами, прослушиваются всеми остальными абонентами, подключенными к общей линии связи, но из потока сообщений абонент отбирает только адресованные ему сообщения. Данный тип связи описан в ГОСТР 52070-2003. Применительно к заявляемому МП УРЗА в качестве абонентов приняты функциональные модули (кроме модуля питания), а в качестве общей линии связи типа магистраль принята внутренняя шина связи, расположенная на объединительной печатной плате.

«Соединитель» употребляется в заявке в общем смысле и подразумевает под собой приборную розетку и/или вилку, которые предназначены для соединения. К «соединителю» можно отнести порт, разъем, зажим, клеммник и т.п.

Термин «управление» используется в отношении коммутационного аппарата и подразумевает под собой включение или отключение коммутационного аппарата, а именно подразумевает под собой подачу напряжения определенной полярности на обмотки катушек электромагнитов привода коммутационного аппарата для того, чтобы коммутационный аппарат включился или отключился. Частный случай коммутационного аппарата это вакуумный выключатель.

«Цепь управления» используется в отношении электрической цепи, которая включает в себя обмотки катушек электромагнитов привода вакуумного выключателя и кабель, по которому подается электрическая энергия с конденсаторов устройства управления (блока управления или модуля управления) на обмотки катушек электромагнитов привода вакуумного выключателя.

«Вход» или «Выход» в отношении «сигнала» используется для указания направления передачи сигнала на соединителе устройства.

Уровень техники

Дальнейший абзац описания предназначен для конкретизации рассматриваемого в заявке типа коммутационного аппарата и типа его привода. Описаны устройства, которые используют для управления коммутационным аппаратом.

В зависимости от того, на какую величину напряжения рассчитана сеть, в ней используется коммутационный аппарат соответствующего типа. В сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и номинального напряжения 6-35 кВ в качестве коммутационных аппаратов используются вакуумные выключатели (далее ВВ).

ВВ состоит из механической части и привода. В качестве привода в ВВ может быть использован как электромагнитный привод, так пружинно-моторный. Однако, принципы действия этих приводов различные и, соответственно, принципы управление такими приводами также различаются. В этой заявке рассмотрен ВВ с электромагнитным приводом.

На фиг. 1 показаны известные устройства (описанные в источнике [1]), предназначенные для управления одним ВВ с электромагнитным приводом: 1 - ВВ; 2 - блок управления ВВ (далее БУ); 3 - МП УРЗА; 4 - шкаф КРУ; 5 - колонка ВВ; 6 - электромагнит привода ВВ; 7 - кабель для подачи электрической энергии на электромагниты привода ВВ; 8 - кабель для передачи сигнала о положении ВВ; 9 - трансформатор тока; 10 - кабель для передачи командного сигнала "Включить ВВ"; 11 - кабель для передачи командного сигнала "Отключить ВВ"; 12 - кабель для передачи сигнала "Готовность БУ".

Для управления ВВ 1 используют БУ 2 и МП УРЗА 3 (фиг. 1). БУ 2 и МП УРЗА 3 расположены в металлических корпусах и взаимодействуют между собой посредством кабелей. Автономность работы БУ 2 и МП УРЗА 3 обеспечена тем, что каждый из них содержит ЦПУ, в котором выполняется ПО. Использование БУ 2 [2], [3] в управлении ВВ 1 с электромагнитным приводом позволило (по сравнению со схемами управления ВВ без БУ) значительно уменьшить время включения ВВ и время отключения ВВ.

Все три устройства (МП УРЗА, БУ и ВВ) могут располагаться в одном шкафу 4 комплектного распределительного устройства (шкафу КРУ), либо в одной камере сборной одностороннего обслуживания (камере КСО). При этом МП УРЗА и БУ расположены в отдельном отсеке вспомогательных цепей шкафа КРУ [1]. КРУ или КСО применяются на всех типах электрических станций и подстанций.

Механическая часть ВВ имеет вид трех отдельных колонок (по одной колонке на каждую фазу), а привод ВВ соответственно содержит три параллельно работающих электромагнита (далее ЭМ). На фиг. 1 показана одна колонка 5 с одним ЭМ 6 в разрезе. Колонка 5 содержит камеру с высоким вакуумом, в которой расположены электрические контакты, подключенные к шине 6(10)кВ сети. Подача электрической энергии с конденсаторов БУ 2 на обмотки катушек ЭМ осуществляется по кабелю 7. БУ 2 контролирует положение ВВ 1 по положению блок-контактов ВВ. Сигнал о положении ВВ 1 поступает на дискретный вход БУ 2 по кабелю 8. Для того, чтобы контролировать значение тока в сети установлен измерительный трансформатор тока 9 (ТТ), сигналы с которого поступают в МП УРЗА 3. МП УРЗА 3 формирует командные сигналы на включение или отключение собственного ВВ 1, которые направляет в БУ 2. Командный сигнал на включение ВВ передается по кабелю 10 на дискретный вход "ВКЛ" БУ 2. Командный сигнал на отключение ВВ передается по кабелю 11 на дискретный вход "ОТКЛ" БУ 2. В свою очередь БУ 2 отправляет в МП УРЗА 3 по кабелю 12 сигнал о готовности выполнить полученную команду на включение ВВ или отключение ВВ.

Дальнейший абзац описания посвящен описанию тех функций МП УРЗА, которые далее помогут раскрыть, каким образом внесенные в конструкцию МП УРЗА изменения, влияют на технический результат.

МП УРЗА это многофункциональное устройство, вычислительная и управляющая часть которого реализована на базе цифровых устройств - микропроцессора и/или микроконтроллера (далее ЦПУ). Функционал МП УРЗА определяется прикладным программным обеспечением (далее ПО), выполняемым в ЦПУ. Основная функция МП УРЗА это релейная защита (максимальная токовая защита, токовая отсечка и др.), которая заключается в выдаче команды на отключение собственного ВВ при регистрации тока короткого замыкания (далее КЗ). В отличие от устройств релейной защиты других типов (например, электромеханических реле) МП УРЗА помимо функции защиты может иметь дополнительные функции автоматики. Перечень таких дополнительных функций содержится в стандарте [4]. Так, МП УРЗА может иметь следующие дополнительные функции:

- устройство резервирования при отказе выключателя (сокращенно УРОВ) (код в стандарте [4] ANSI 50 BF);

- устройство автоматического повторного включения (сокращенно АПВ) (код в стандарте [4] ANSI 79).

Раньше эти функции выполнялись конкретными электрическими аппаратами, поэтому в их названии и присутствует слово «устройство». Теперь же эти функции прописаны в виде программных модулей в прикладном программном обеспечении МП УРЗА. Далее, для краткости, соответствующие программные модули, предназначенные для выполнения этих функций, будут иметь названия в виде широко распространенных аббревиатур, а именно программный модуль "релейная защита", программный модуль "УРОВ" и программный модуль "АПВ".

Разработчик проекта подстанции может дополнить МП УРЗА и другими функциями, не указанными в стандарте [4].

На фиг. 2 представлена известная схема управления ВВ, в которой использованы МП УРЗА и БУ (схема на фиг. 2 аналогична схеме на фиг. 1). На фиг. 2 показаны дополнительные МП УРЗА, которые необходимы, чтобы описать принцип действия УРОВ.

На фиг. 2 показаны следующие устройства первой секции шин 6(10)кВ подстанции: 13 - первый МП УРЗА; 14 - отходящая линия электропередачи; 15 - ВВ в отходящей линии электропередачи; 16 - ЦПУ первого МП УРЗА; 17 - БУ; 18 - ЦПУ блока управления; 19 - кабель для подачи электрической энергии с конденсаторов БУ на электромагниты привода ВВ; 20 - кабель для передачи сигнала "Неисправность"; 21 - кабель для передачи сигнала "Готовность"; 22 - кабель для передачи командного сигнала "Отключить ВВ"; 23 - кабель для передачи сигнала о положении ВВ; 24 - кабель для передачи командного сигнала "Включить ВВ"; 25 - второй МП УРЗА; 26 - третий МП УРЗА; 27 - ВВ на линии ввода; 28 - линия ввода; 29 - секционный ВВ между первой секцией и второй секцией шин; 30 и 31 - кабели для передачи сигнала УРОВ; 32 - кнопка отключения ВВ оперативным персоналом.

МП УРЗА 13 формирует командные сигналы вследствие управления оперативным персоналом, или вследствие срабатывания защит, или вследствие срабатывания автоматики. МП УРЗА 13 контролирует ток в отходящей линии 14. МП УРЗА 13 формирует командные сигналы на включение или отключение собственного ВВ 15, расположенного в отходящей линии 14. В МП УРЗА 13 выполнение вычислительных и управляющих операций осуществляется в ЦПУ 16. В рамках прикладного ПО в ЦПУ 16 выполняются следующие программные модули: "релейная защита", "АПВ", "УРОВ" и т.д.

БУ 17 предназначен для управления ВВ 15. В БУ 17 выполнение вычислительных и управляющий операций осуществляется в ЦПУ 18. В рамках ПО в ЦПУ 18 выполняются программный модуль "управление (включение или отключение) ВВ" (далее "управление ВВ") и программный модуль "диагностика".

БУ 17 осуществляет внутреннюю диагностику своих программных модулей и аппаратных узлов и внешнюю диагностику цепи управления.

Внешняя диагностика цепи управления при использовании БУ стала возможной, так как подача электрической энергии по цепи управления осуществляется непосредственно с конденсаторов БУ. Диагностика цепи управления заключается в том, что проверяется целостность и сопротивление цепи управления для диагностики обрыва или КЗ. Для этого, в режиме ожидания команды из МП УРЗА, периодически в цепь управления генерируются короткие тестовые импульсы. Если в цепи управления обнаружен обрыв или КЗ, в рамках программного модуля "диагностика" формируется сигнал «Неисправность», который с дискретного выхода БУ 17 по кабелю 20 отправляется на подстанционную сигнализацию для информирования об этом оперативного персонала. То же самое происходит и при выявлении неисправности при внутренней диагностике. При этом прохождение входных командных сигналов из МП УРЗА 13 блокируется.

МП УРЗА 13 отправляет командный сигнал на первое включение ВВ 15 только после того, как получит по кабелю 21 сигнал о готовности БУ 17 к работе. Сигнал о готовности подтверждает, что конденсаторы включения и отключения заряжены, а диагностика не выявила неисправностей.

Дальнейший абзац посвящен отключению ВВ в результате срабатывания защит.

Если МП УРЗА 13 зафиксировал в отходящей линии 14 ток КЗ, в ЦПУ 16 в рамках программного модуля "релейная защита" принимается решение об отключении ВВ 15, и командный сигнал на отключение ВВ направляется по кабелю 22 в БУ 17. В БУ 17 в рамках программного модуля "управление ВВ" принимается окончательное решение об отключении ВВ 15. Для этого должны быть выполнены следующие условия:

- получен командный сигнал на отключение ВВ из МП УРЗА 13;

- получен по кабелю 23 сигнал, подтверждающий отсутствие блокировки ВВ 15;

- получено подтверждение о полной зарядке встроенных в БУ 17 конденсаторов отключения;

- получено подтверждение об отсутствии КЗ или обрыва в цепи управления;

- получено подтверждение о том, что минимальная продолжительность командного сигнала на отключение ВВ на дискретном входе "ОТКЛ" БУ не менее 5 мс для того, чтобы исключить ложный сигнал от импульсных помех в соединяющем кабеле 22. При меньшей длительности сигнал будет проигнорирован БУ 17.

При выполнении вышеперечисленных условий в ЦПУ 18 (выделен на фиг. 2 серым цветом) принимается окончательное решение на отключение ВВ 15. Отключение ВВ 15 обеспечивается путем подачи по кабелю 19 напряжения отрицательной полярности на катушки ЭМ. Для этого используется накопленная электрическая энергия встроенных в БУ конденсаторов отключения.

После того как ВВ 15 отключится, подача тока в отходящей линии 14 прекратится.

Дальнейший абзац посвящен включению ВВ в результате срабатывания автоматики.

Через определенный промежуток времени МП УРЗА 13 в рамках программного модуля "АПВ" формирует командный сигнал на повторное включение ВВ 15, который по кабелю 24 направляется БУ 17. Сигнал "АПВ" предназначен для повторного включения выключенного ВВ 15 для того, чтобы восстановить подачу электроэнергии в отходящей линии 14.

В БУ 17 в рамках программного модуля "управление ВВ" принимается окончательное решение о включении ВВ 15. Для этого должны быть выполнены следующие условия:

- получен командный сигнал на включение ВВ из МП УРЗА 13 и отсутствует командный сигнал на отключение ВВ на дискретном входе БУ;

- получен по кабелю 23 сигнал, подтверждающего отключенное положение ВВ и отсутствие блокировки ВВ;

- получено подтверждение о полной зарядке встроенных в БУ 17 конденсаторов включения и конденсаторов отключения;

- получено подтверждение об отсутствии КЗ или обрыва в цепи управления;

- получено подтверждение того, что минимальная продолжительность сигнала на включение ВВ на дискретном входе "ВКЛ" БУ не менее 5 мс для того, чтобы исключить ложный сигнал от импульсных помех в соединяющем кабеле 24. При меньшей длительности сигнал будет проигнорирован БУ 17.

При выполнении вышеперечисленных условий в ЦПУ 18 блока управления 17 принимается окончательное решение о включении ВВ 15. Включение ВВ 15 обеспечивается путем подачи по кабелю 19 напряжения положительной полярности на катушки ЭМ. Для этого используется накопленная электрическая энергия встроенный в БУ конденсаторов включения. После того как ВВ 15 включится, подача тока в отходящей линии 14 возобновится. Если за время, в течение которого ВВ 15 был отключен, КЗ в отходящей линии 14 самоустранилось (кратковременная аварийная ситуация), подача электроэнергии по отходящей линии 14 будет продолжена. Если же МП УРЗА 13 вновь зафиксирует ток КЗ в отходящей линии 14 (устоявшаяся аварийная ситуация) в МП УРЗА 13 в рамках программного модуля "релейная защита" сформируется командный сигнал на отключение собственного ВВ 15.

Дальнейший абзац посвящен формированию в МП УРЗА выходного сигнала УРОВ.

Если же по истечению определенного промежутка времени после того, как был направлен сигнал на отключение ВВ 15, МП УРЗА 13 продолжит фиксировать ток КЗ в отходящей линии 14, то можно говорить об отказе ВВ. В этом случае МП УРЗА 13 в рамках программного модуля "УРОВ" формирует выходной сигнал УРОВ. Выходной сигнал УРОВ предназначен для отключения смежных с отказавшим коммутационных аппаратов, т.е. должно быть произведено отключение тех коммутационных аппаратов, через которые идет подпитка точки КЗ (коммутационных аппаратов со стороны источников питания). Применение УРОВ обусловлено повышенными требованиями к отключению тока КЗ за наименьший промежуток времени. Тем не менее, МП УРЗА 13 отправляет выходной сигнал УРОВ после определенной выдержки времени (0,3-0,4 с), которая необходима для того, чтобы дать возможность сработать собственному ВВ 15. Выбор оптимального значения времени отправки выходного сигнала УРОВ лежит на стыке быстродействия и селективности, а именно необходимо как можно быстрее отключить участок сети с КЗ и, при этом, не отключить лишние коммутационные аппараты. В качестве примера на фиг. 2 показаны три МП УРЗА на одной подстанции, а именно первый МП УРЗА 13, второй МП УРЗА 25 и третий МП УРЗА 26. Первый МП УРЗА 13 формирует командный сигнал на отключение ВВ 15 в отходящей линии 14. Второй МП УРЗА 25 формирует командный сигнал на отключение ВВ 27 на линии 28 ввода первой секции шин. Третий МП УРЗА 26 формирует командный сигнал на отключение секционного ВВ 29, который предназначен для коммутации первой секции шин со второй секцией шин. ВВ 27 и ВВ 29 являются смежным по отношению к отказавшему ВВ 15, так как через них идет подпитка точки КЗ. Выходной сигнал УРОВ направляется первым МП УРЗА 13 по кабелю 30 во второй МП УРЗА 25 и по кабелю 31 в третий МП УРЗА 26. Второй МП УРЗА 25 и третий МП УРЗА 26 при выполнении сигнала УРОВ отключают смежные ВВ и блокируют собственные функции "АПВ" или "АВР" (автоматики ввода резерва).

Преимущества схемы управления ВВ, в котором использованы МП УРЗА и БУ, выполненные как отдельные микропроцессорные устройства (как в источнике [1]):

- Использование БУ значительно уменьшило время срабатывания ВВ.

- Использование БУ позволило осуществлять диагностику цепи управления, так как подача электрической энергии по цепи управления осуществляется непосредственно с конденсаторов БУ.

- В некоторых БУ [5] предусмотрена кнопка 32 для отключения ВВ оперативным персоналом. Кнопка "ОТКЛ" 32 находиться на лицевой панели БУ. Кнопка "ОТКЛ" 32 подключена параллельно дискретному входу "ОТКЛ" в БУ 17, который предназначен для командного сигнала из МП УРЗА. Команда отключения, инициированная оперативным персоналом нажатием на кнопку "ОТКЛ" 32, поступает в ЦПУ 18 блока управления, имеет высший приоритет и выполняется в независимости от команд из МП УРЗА. Следовательно, если при нормальном режиме работы сети или оборудования ЭЭС выявилась неисправность МП УРЗА, то оперативный персонал может отключить ВВ от кнопки 32 на лицевой панели БУ.

Недостатки схемы управления ВВ, в которой использованы МП УРЗА и БУ, выполненные как отдельные микропроцессорные устройства (как в источнике [1]):

- Время отключения ВВ не является минимально возможным временем, которое можно было бы достичь. МП УРЗА и БУ соединены между собой кабелями, поэтому при передачи команды на отключение ВВ по кабелю 22 потеря времени происходит дважды. Первый раз потеря времени (5-6 мс) происходит на дискретном выходе МП УРЗА. Второй раз потеря времени происходит при поступлении команды в ЦПУ 18 блока управления 17, которое начинает работать с этой командой через 5 мс для того, чтобы исключить ее ложность от наведенных импульсных помех на кабель 22.

- Время формирования сигнала УРОВ не является минимально возможным временем, которое можно было бы достичь. Отказать в такой схеме может не только ВВ, но и БУ, т.е. сигнал УРОВ в такой схеме формируется не только при отказе ВВ, но и при отказе БУ. Несмотря на то, что БУ проводит значительное количество операций (внутреннюю диагностику, диагностику цепи управления, контролирует положение ВВ, принимает окончательное решение о включении или отключении ВВ), МП УРЗА не имеет информации о результатах этих операций. Поэтому, в случае, если МП УРЗА продолжает фиксировать ток КЗ после того, как отправлена команда на отключение ВВ, в независимости от того, что отказало (ВВ или БУ), МП УРЗА поступает точно так же, как если бы отказал ВВ, а именно, формирует выходной сигнал УРОВ после выдержки времени (0,3-0,4 с), которая предусмотрена для отключения ВВ. Отсутствие обратной связи от ВВ и БУ к МП УРЗА приводит к тому, что выдержка времени, после которой формируется сигнал УРОВ, выбирается максимально возможной для того, чтобы обеспечить гарантированное срабатывание собственного ВВ.

Описание аналогов.

Известен вакуумный реклоузер РВА/TEL, содержащий коммутационный модуль серии OSM/TEL, который управляется посредством шкафа управления серии RC/TEL с микропроцессорной релейной защитой и автоматикой [6] (компания Таврида Электрик). На фото шкафа управления серии RC/TEL видно, что расположенные в нем модуль микропроцессора (по функционалу это МП УРЗА) и модуль управления (по функционалу это БУ) соединены между собой посредством кабелей. Наполненность и функциональность «шкафа управления серии RC/TEL» [6] аналогичны наполненности и функциональности «отсека вспомогательных цепей шкафа КРУ D-12 Р» [1], описанию которого посвящен раздел «Уровень техники» данного описания. В техническом описании реклоузера РВА/TEL заявлено, что собственное время отключения ВВ составляет не более 30 мс, а полное время отключения составляет не более 40 мс.

Известны устройства FS-CM_CM_15_5 (компания Таврида Электрик) и By/AST-21 (компания Астер Электро), функционал которых включает функционал двух устройств: МП УРЗА и БУ. По сути, известные устройства предназначены для выполнения всех тех же функций, что и заявляемое МП УРЗА (компания ТеконГруп), в конструктив которого встроен модуль управления ВВ. Однако, для известных устройств компании-изготовители использовали название «Блок (модуль) управления вакуумным выключателем», тогда как компания ТеконГруп для заявляемого устройства использует название «Устройство релейной защиты и автоматики». Поэтому мы не используем эти известные устройства в качестве прототипа для заявляемого устройства.

Известен модуль управления вакуумным выключателем FS-CM_CM_15_5 [7]. Известный модуль управления ВВ представляет собой устройство, объединяющее в одном корпусе микропроцессорную релейную защиту и блок управления ВВ. Описание внутреннего конструктива устройства и описание его работы отсутствует.

Известен блок управления вакуумным выключателем By/AST-21 (далее By/AST-21) [8], [9], [10], [11], [12]. Известный By/AST-21 содержит расположенные в корпусе следующие модули:

- модуль микропроцессорной защиты (далее модуль МПЗ);

- модуль управления ВВ;

- вторичный источник питания 180 В постоянного тока (источник питания дискретных входов и выходов), который является частью модуля управления ВВ;

- блок конденсаторных батарей для включения и отключения ВВ;

- источник питания.

Модуль МПЗ представляет собой многофункциональный модуль, реализующий различные функции защиты, измерения, контроля, отображения информации, автоматики, местного и дистанционного управления ВВ. Модуль МПЗ состоит из нескольких печатных плат, которые содержат выходные разъемы для подключения внешних цепей, микроконтроллер (далее ЦПУ), интерфейсы RS485, выходные реле и дискретные входы.

Модуль управления ВВ содержит мост управления электромагнитным приводом, цепь управления ЭМ привода ВВ и источник вторичного напряжения. Модуль МПЗ формирует импульс включения или отключения ВВ и, управляя силовым мостом, подключает к приводу ВВ блок конденсаторов. Под управлением модуля МПЗ формируются сигналы для контроля целостности цепи управления ЭМ и, при возникновении обрыва или КЗ в цепи управления ЭМ, на панель выводится информация о неисправности By/AST-21.

Если сравнивать блок управления By/AST-21 [10] со шкафом управления серии RC/TEL [6], то можно отметить следующие преимущества By/AST-21:

- By/AST-21 может быстрее отключить ВВ в случае, если в линии электропередачи зафиксирован ток КЗ. По сути, в By/AST-21 только один ЦПУ, который управляет силовым мостом, предназначенным для подключения конденсаторов к цепи управления ВВ. При этом в By/AST-21 сигналы передаются по внутренним шинам в отличие от «шкафа управления серии RC/TEL», в котором модуль микропроцессора взаимодействует с модулем управления по внешним кабелям, передача сигналов по которым осуществляется с потерей времени.

- By/AST-21 может быстрее активировать сигнал УРОВ. Связано это с тем, что в By/AST-21 (в отличии от «шкафа управления серии RC/TEL») для активации сигнала УРОВ теперь появляется два критерия, а именно:

- контроль тока в линии электропередачи;

- контроль положения блок-контактов ВВ. Этот критерий появился в By/AST-21 в связи с тем, что сигналы о положении ВВ поступают по внутренней шине связи непосредственно в ЦПУ. В «шкафу управления серии RC/TEL» сигнал УРОВ формируется после выдержки времени, которая составляет от 0,3 с до 0,4 с, тогда как в «By/AST-21» формирование сигнала УРОВ происходит быстрее, а именно выдержка времени после которой формируется сигнал УРОВ составляет от 0 с до 0,3 с. В источнике [10] указано, что выдержка времени УРОВ составляет 0,2 с.

Если сравнивать By/AST-21 [10] со шкафом управления серии RC/TEL [6], то можно отметить следующие недостатки By/AST-21:

Блок управления By/AST-21 имеет одно ЦПУ в модуле МПЗ. В этом ЦПУ выполняются все программные модули прикладного ПО, в том числе следующие программные модули: "релейная защита", "АПВ", "УРОВ", "управление ВВ", "диагностика цепи управления" и т.д. В процессе работы постоянно выполняется внутренняя самодиагностика с целью выявления ошибок в аппаратной или программной части. В случае выявления внутренней ошибки или неисправности на панели включается светодиод «Неисправность». В зависимости от внутренней неисправности могут блокироваться программные модули ЦПУ и выходные реле. В источнике [11] отмечено, что модуль МПЗ соответствует общим техническим требованиям [13], которые распространяются на микропроцессорные устройства защиты и автоматики энергосистем, применяемым на электростанциях, подстанциях и в электрических сетях 6-1150 кВ ЕЭС России. В целом же само изделие By/AST-21 не отвечает требованиям [13], в которых согласно пункту 3.1.1. «технические средства и программное обеспечение МП РЗА должны выполняться с использованием модульного принципа. При этом должна обеспечиваться независимая работа исправных модулей при отказах или неисправностях в соседних модулях. Этим должна обеспечиваться и независимость реализации заданных функций при потере какой-либо из них». В изделии By/AST-21 не предусмотрена возможность отключения ВВ в случае неисправности единственного ЦПУ, который и управляет всем изделием.

Описание прототипа

В качестве прототипа для заявляемого МП УРЗА взято устройство того же назначения, а именно МП УРЗА ТЕКОН 300 [14]. Известное МП УРЗА имеет модульное исполнение. В корпусе расположены следующие функциональные модули: по меньшей мере один модуль ввода аналоговых сигналов; модуль центрального процессора с ЦПУ, предназначенным для выполнения прикладной программы, в состав которой входят программный модуль релейной защиты и программные модули автоматики; модуль питания; модули ввода/вывода дискретных сигналов. Также в корпусе расположена объединительная печатная плата, на которой расположена внутренняя шина связи типа «магистраль», по которой между модулем ЦП и другими функциональными модулями (кроме модуля питания) происходит обмен данными в цифровой форме и в режиме ведущий-ведомый, где ведущим является модуль ЦП. Также на объединительной плате расположена шина питания, по которой подается питание от модуля питания на все функциональные модули. Для управления ВВ известный МП УРЗА ТЕКОН 300 (компании ТеконГруп) использовали с микропроцессорным БУ других производителей, поскольку в МП УРЗА ТЕКОН 300 отсутствовали технические решения и программное обеспечение, реализованные в изделиях БУ. Схема использования МП УРЗА ТЕКОН 300 с БУ других производителей аналогична схеме (фиг. 1 и фиг. 2), описанию которой посвящен раздел «Уровень техники». В этом же разделе подробно описаны недостатки такой схемы управления ВВ.

Сущность изобретения

Техническая проблема заключается в расширении арсенала средств МП УРЗА.

В заявляемом МП УРЗА использованы технические решения, которые направлены на наиболее быстрое прекращение подачи тока к точке КЗ в линии электропередачи или к оборудованию ЭЭС, находящемуся в аварийном режиме работы. Это обеспечит устойчивость и надежность работы ЭЭС и предотвратит разрушение оборудования ЭЭС.

Наиболее быстрое прекращение подачи тока к точке КЗ достигается за счет того, что:

- МП УРЗА отключает собственный ВВ за время (собственное время отключения не более 10 мс, полное время отключения не более 26 мс), которое меньше, чем время отключения ВВ известных аналогов;

- а в случае отказа собственного ВВ МП УРЗА формирует сигнал УРОВ для отключения смежных ВВ через выдержку времени, которая составляет от 0,05 с до 0,2 с, которая меньше, чем выдержка времени УРОВ известных аналогов.

Технический результат достигается тем, что МП УРЗА имеет модульное исполнение и содержит корпус, в котором расположены объединительная печатная плата и следующие функциональные модули:

- модуль центрального процессора (далее модуль ЦП);

- модуль питания;

- по меньшей мере один модуль ввода аналоговых сигналов;

- модули ввода/вывода дискретных сигналов;

- модуль управления, предназначенный для управления одним ВВ, который предназначен для сетей трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и номинального напряжения 6-35 кВ и имеет электромагнитный привод, при этом модуль управления содержит: ЦПУ, конденсаторы включения и отключения, предназначенные для подачи электрической энергии на электромагниты привода ВВ, первый соединитель, предназначенный для кабеля, предназначенного для подачи электрической энергии с конденсаторов на электромагниты привода ВВ, и второй соединитель, предназначенный для кабеля, предназначенного для передачи сигналов о положении вакуумного выключателя.

При этом на объединительной печатной плате расположена шина связи типа «магистраль», по которой между модулем ЦП и другими функциональными модулями (кроме модуля питания) происходит обмен данными в цифровой форме и в режиме ведущий-ведомый, где ведущим является модуль ЦП.

При этом модуль центрального процессора содержит вычислительное управляющее устройство (ЦПУ), в котором выполняется прикладное программное обеспечение (далее ПО), в состав которого входят:

- программный модуль релейной защиты;

- программные модули автоматики;

- программный модуль управления ВВ, в котором принимается окончательное решение о включении или отключении ВВ на основании полученного решения о включении или отключении ВВ из других программных модулей прикладного ПО и данных, полученных из модуля управления.

В состав данных, полученных модулем ЦП из модуля управления и предназначенных для принятия окончательного решения о включении или выключении ВВ в программном модуле управления ВВ, могут входить следующие данные: о положении вакуумного выключателя, о полной зарядке конденсаторов, об отсутствии КЗ или обрыва в цепи управления ВВ.

В качестве вычислительного управляющего устройства может быть использован микропроцессор или микроконтроллер.

Модуль управления ВВ может содержать третий соединитель, предназначенный для кабеля, предназначенного для передачи сигнала на отключение ВВ, инициированный оперативным персоналом с кнопки аварийного отключения, при этом вычислительное управляющее устройство модуля управления должно иметь в составе своего программного обеспечения программный модуль аварийного управления ВВ который инициализируется в момент поступления в вычислительное управляющее устройство сигнала с кнопки аварийного отключения, и результатом выполнения которого является решение об отключении вакуумного выключателя, которое выполняется вне зависимости от команд из модуля центрального процессора.

На объединительной плате может быть расположена шина питания, предназначенная для подачи питания от модуля питания на все функциональные модули.

Перечень фигур чертежей

Фиг. 1 и фиг. 2 смотреть в разделе «Уровень техники».

Фиг. 3 - МП УРЗА с корпусом типоразмера ¾ 19'' (вид сзади).

Фиг. 4 - показана схема работы МП УРЗА (смотреть раздел «Работа МП УРЗА»).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Заявляемое модульное МП УРЗА 33 содержит (фиг. 3):

34 - корпус; 35 - уголок; 36 - панель индикации и управления (далее панель); 37 - модуль ЦП; 38 - объединительная печатная плата (далее объединительная плата); 39 - соединитель объединительной платы для функционального модуля; 40 - торцевая пластина; 41 - печатная плата функционального модуля; 42 - направляющая; 43 - модуль ввода аналоговых сигналов (далее модуль АС); 44 - модуль питания;

45 - соединитель для подключения первого источника питания;

46 - соединитель для подключения второго источника питания;

47 - модуль управления ВВ (далее модуль управления);

48 - первый соединитель модуля управления;

49 - второй соединитель модуля управления;

50 - третий соединитель модуля управления;

51 и 52 - модули ввода дискретных сигналов (далее модуль ввода ДС);

53 и 54 - модули вывода дискретных сигналов (далее модуль вывода ДС).

Металлический корпус 34 (фиг. 3) имеет три типоразмера по стандарту Евромеханика: ½ 19'', ¾ 19'', 19''. На боковых стенках корпуса 34 закреплены металлические уголки 35, предназначенные для жесткого крепления панели 36 к корпусу 34 и для крепления МП УРЗА в шкафу КРУ (камере КСО). Конструкция МП УРЗА 33 предусматривает три типа исполнения относительно панели:

- с панелью, закрепленной на передней стороне корпуса;

- с отдельной панелью, которая может быть закреплена на другой поверхности, чем поверхность, на которой закреплен корпус;

- без панели.

Тип исполнения МП УРЗА относительно панели определяется исходя из условий расположения устройства в шкафу КРУ (камере КСО). В случае, если панель используется отдельно от корпуса, она соединена с модулем ЦП 37 с помощью кабеля, предназначенного для обмена сигналами и подачи питания на панель (такое выполнение МП УРЗА описано в прототипе [14]). Для подключения переносного ПК в модуле ЦП 37 и в панели 36 предусмотрены Ethernet-соединители. С передней стороны корпуса 34 расположен металлический экран. Объединительная плата 38 имеет соединители 39 для всех функциональных модулей, которые содержат ответные соединители для объединительной платы. Все функциональные модули содержат торцевую пластину 40 и по меньшей мере одну печатную плату 41 с электронными компонентами и соединителями для внешних устройств и для объединительной платы. Торцевые пластины 40 служат для закрепления функциональных модулей в корпусе 34 и выполняют функции экрана, предназначенного для механической и электромагнитной защиты электронных компонентов модуля с задней стороны корпуса. Внутри корпуса сверху и снизу расположены направляющие 42 для плат функциональных модулей. Для закрепления функциональных модулей в корпусе с его задней стороны сверху и снизу расположены металлические рейки с отверстиями, к которым крепятся винтами торцевые пластины модулей. Для извлечения функционального модуля из корпуса необходимо отсоединить клеммные колодки с кабелями подключения внешних устройств, открутить винты и вынуть функциональный модуль. При этом другие функциональные модули остаются закрепленными в корпусе. Модульная конструкция МП УРЗА соответствует требованиям [13] и обеспечивает возможность компоновки МП УРЗА необходимым количеством модулей ввода и/или вывода (далее ввода/вывода). Любой функциональный модуль можно легко извлечь из корпуса и заменить извлеченный модуль на идентичный по функции модуль.

Модуль АС 43 предназначен для приема сигналов переменного тока и/или переменного напряжения промышленной частоты с измерительных трансформаторов тока и/или напряжения. Модуль АС 43 включает в себя промежуточные трансформаторы тока и/или промежуточные трансформаторы напряжения (в зависимости от исполнения модуля) и аналого-цифровые преобразователи. Мгновенные значения аналоговых сигналов на входе модуля АС преобразуются в цифровой код и передаются в модуль ЦП, где происходит расчет действующего значения сигнала.

Модуль АС 43 имеет восемь каналов с номинальным значением тока 1 А или 5 А и/или с номинальным значением напряжения 100 В или 220 В.

Модуль ЦП 37 выполняет обработку входных сигналов, в рамках прикладного ПО реализует выполнение программных модулей "релейная защита", "управление ВВ", "АПВ", "УРОВ" и другие алгоритмы. Модуль ЦП 37 поддерживает обмен информацией с внешними цифровыми устройствами: панелью, ПК, контроллерами АСУ и т.д.

Модуль питания 44 по шине питания на объединительной плате обеспечивает стабилизированным напряжением 24 В питания все функциональные модули МП УРЗА в рабочем диапазоне изменений напряжения питания оперативного тока. При этом МП УРЗА правильно функционирует при изменениях напряжения питания U_min/max от 65 В до 264 В переменного тока или напряжения питания U_min/max от 88 В до 375 В постоянного тока. При этом питание МП УРЗА производиться от двух любых далее перечисленных источников оперативного тока:

- переменного (50±5) Гц тока с номинальным напряжением 220 В;

- переменного (50±5) Гц тока с номинальным напряжением 100 В;

- постоянного тока с номинальным напряжением 220 В или 110 В;

- выпрямленного тока с номинальным напряжением 220 В;

Модуль питания 44 имеет два аналогичных подмодуля питания, каждый из которых имеет свой соединитель 45 и 46. Эти подмодули постоянно работают параллельно, таким образом обеспечивается мгновенное переключение нагрузки от поврежденного подмодуля питания к исправному без потери времени или повторного запуска модуля питания. Это же справедливо для случая пропадания напряжения питания на входе любого из подмодулей.

Модуль управления 47 предназначен для управления одним ВВ с электромагнитным приводом. В состав модуля управления 47 входят конденсаторы включения и конденсаторы отключения, которые отдают накопленный заряд в обмотку катушек электромагнитов привода ВВ. Использование конденсаторов в качестве источника электрической энергии обеспечивает подачу дозированного количества электрической энергии на катушки электромагнитов, что защищает их от разрушения.

В состав модуля управления 47 входят следующие соединители:

- первый соединитель 48 (гальванически развязанный выход), предназначенный для кабеля, по которому подается электрическая энергия с конденсаторов на ЭМ привода ВВ.

- второй соединитель 49 (активные дискретные входы с питанием от внутреннего источника 24 В), предназначенный для входящих сигналов о положении ВВ, полученных с блок-контактов привода ВВ.

- третий соединитель 50, предназначенный для входного сигнала отключения ВВ с выносного пульта с кнопкой аварийного отключения для оперативного персонала. Второй 49 и третий 50 соединители могут быть объединены в одном клеммнике, как на фиг. 3.

Для правильного выполнения функции защиты МП УРЗА должен получать еще целый ряд сигналов от внешних устройств (датчики дуговой защиты, входные сигналы УРОВ и т.д.) и формировать целый спектр выходных сигналов (сигнализация, сигналы УРОВ, связь с вышестоящими устройства и контроллерами АСУ и т.д.). В зависимости от проекта объем входных и выходных дискретных сигналов может быть различный и, следовательно, в МП УРЗА может быть различное количество модулей ввода/вывода ДС. Модуль ввода ДС предназначен для преобразования логических состояний внешних устройств в цифровой код для передачи в модуль ЦП. Модуль вывода ДС предназначен для преобразования цифровых сигналов из модуля ЦП в дискретный вид для управления внешними цепями сигнализации и блокировок.

Работа МП УРЗА

Для описание работы МП УРЗА с модулем управления ВВ представлена схема работы (фиг. 4), где:

55 - первый МП УРЗА; 56 - отходящая линии электропередачи;

57 - ВВ в отходящей линии; 58 - объединительная печатная плата (далее объединительная плата); 59 - внутренняя шина связи; 60 - модуль ЦП;

61 - модуль управления ВВ (далее модуль управления); 62 - шина питания;

63 - ЦПУ модуля ЦП; 64 - ЦПУ модуля управления;

65 - кабель для подачи электрической энергии на ЭМ привода ВВ;

66 - кабель для сигнала о положении ВВ; 67 - кабель для выносного пульта; 68 - кнопка аварийного отключения на выносном пульте;

69 - второй МП УРЗА; 70 - третий МП УРЗА; 71 - ВВ на линии ввода;

72 - линия ввода; 73 - секционный ВВ; 74 и 75 - кабели для передачи сигнала УРОВ.

МП УРЗА 55 контролирует ток в отходящей линии 56. МП УРЗА 55 управляет (включает или отключает) собственным ВВ 57, расположенным в отходящей линии 56. В корпусе МП УРЗА 55 расположена объединительная плата 58. На объединительной плате 58 расположена внутренняя шина связи 59 типа «магистраль» (далее шина связи 59). При изготовлении многослойной объединительной платы 58 использованы известные методы экранирования электромагнитных помех для защиты шины связи 59. В корпусе МП УРЗА 55 расположены следующие функциональные модули: модуль ЦП 60, модуль управления 61, модуль питания, модуль ввода АС, модуль ввода ДС, модуль вывода ДС. Все функциональные модули соединены с объединительной платой 58. Каждый функциональный модуль (кроме модуля питания) имеет интерфейсный блок (контроллер шины), предназначенный для организации обмена данными по шине связи 59. Обмен данными осуществляется между модулем ЦП 60 и другими функциональными модулями (кроме модуля питания). Для этого интерфейсный блок модуля ЦП 60 работает в режиме «Ведущий» (анг. Master). Интерфейсные блоки других модулей (модуля управления и модулей ввода/вывода) работают в режиме «Ведомый» (анг. Slave). Интерфейсные блоки могут быть интегрированы в ЦПУ или могут являться частью другого программируемого логического устройства, расположенного в функциональном модуле. В любом случае, с данными, преданными по шине связи, работают логические устройства, поэтому далее при описании обмена данными между модулем ЦП и модулем управления будут использованы их ЦПУ. Интерфейс шины связи 59 функционирует в режиме «команда-ответ». Передача сигналов по шине связи 59 осуществляется в последовательной цифровой форме. Передача данных осуществляется сообщениями, каждое из которых состоит из одного слова или двух слов, назначение которых строго определено: командное слово, слово данных и ответное слово. Модуль ЦП 60 инициирует последовательную передачу сообщений с данными 1 раз в 156 мкс (цикл шины связи). Если модуль ЦП 60 инициирует передачу командного слова с битом «запись», то осуществляется запись данных из модуля ЦП 60 в модуль управления 61 или в модули вывода/вывода. Если модуль ЦП 60 инициирует передачу командного слова с битом «чтение», то модуль управления 61 или модули ввода/вывода после получения такого командного слова осуществляют передачу своих данных в модуль ЦП 60.

На объединительной плате 58 расположена шина питания 62, по которой осуществляется питание всех функциональных модулей питанием 24 В от модуля питания.

В модуле ЦП вычислительные и управляющие операции выполняются в ЦПУ 63. В модуле управления 61 вычислительные и управляющие операции выполняются в ЦПУ 64.

Первый соединитель модуля управления предназначен для кабеля 65, по которому подается электрическая энергия с конденсаторов модуля управления 61 на ЭМ привода ВВ. Второй соединитель модуля управления 61 предназначен для кабеля 66, по которому в модуль управления 61 поступают сигналы о положении ВВ с блок-контактов ВВ. Третий соединитель модуля управления 61 предназначен для кабеля 67, который соединяет модуль управления с выносным пультом с кнопкой 68 аварийного отключения ВВ.

Функционал МП УРЗА определен составом программных модулей (алгоритмов) прикладного ПО, которое выполняется в ЦПУ 63 модуля ЦП 60. В рамках прикладного ПО выполняются следующие программные модули:

- "релейная защита", результатом выполнения которого может быть решение об отключении ВВ, после чего будет осуществлен переход к программному модулю "управление ВВ";

- "управление ВВ", результатом выполнения которого будет окончательное решение о включении или отключении ВВ, которое будет направлено в модуль управления;

- "АПВ", результатом выполнения которого является решение о повторном включение ВВ, после чего будет осуществлен переход к программному модулю "управление ВВ";

- "УРОВ", результатом которого будет сигнал в другие МП УРЗА; и т.д.

Модуль управления 61 предназначен для управления ВВ путем подачи электрической энергии на ЭМ привода ВВ. ЦПУ 64 модуля управления в режиме ожидания команды на включение или отключение ВВ из модуля ЦП осуществляет следующие виды операций:

(1) Программно-аппаратную диагностику и диагностику исправности внутренних узлов модуля управления 61.

(2) Диагностику цепи управления ВВ. Диагностика цепи управления заключается в том, что проверяется целостность и сопротивление цепи управления для диагностики обрыва или КЗ. Для этого в режиме ожидания команды из модуля ЦП периодически (один раз в 15 с) в цепь управления генерируются короткие тестовые импульсы.

(3) Контроль следующих параметров:

- состояние кнопки 68 аварийного отключения ВВ;

- готовность конденсаторов включения и отключения к работе;

- положение ВВ и отсутствие блокировки.

Все данные, полученные при выполнении операций (1), (2), (3), модуль ЦП считывает из модуля управления в каждом цикле шины связи.

(4) Выполнение программного модуля "аварийное управление (отключение) ВВ" (далее "аварийное управление ВВ") инициируется в момент получение сигнала на отключение ВВ с кнопки 68 аварийного отключения ВВ.

МП УРЗА 55 осуществляет включение или отключение ВВ вследствие управления оперативным персоналом, или вследствие срабатывания защит, или вследствии срабатывания автоматики.

Включение ВВ оперативным персоналом.

Для того, чтобы по отходящей линии 56 началась подача тока, МП УРЗА 55 должен включить собственный ВВ 57, при этом команда на включение ВВ должна поступить от оперативного персонала. Для этого МП УРЗА 55 должен осуществить подготовку к работе. Для этого МП УРЗА 55 осуществляет проверку каждого функционального модуля, проверку системного ПО, проверку прикладного ПО, проверку внутренней шины связи и полную зарядку конденсаторов включения и отключения. ЦПУ 63 модуля ЦП должен получить данные о том, что каждый функциональный модуль готов к работе. Так, из модуля управления в модуль ЦП должны поступить данные об исправности внутренних узлов, об исправности цепи управления и о полной зарядке конденсаторов включения и отключения. После того как МП УРЗА 55 выдаст сигнал о готовности к работе, оперативный персонал активирует команду на включение ВВ с кнопки на панели, или с переносного ПК, или в результате дистанционного управления. Команда на включение ВВ поступит в ЦПУ 63 модуля ЦП, в котором в рамках программного модуля "управление ВВ" будет принято окончательное решение о включении ВВ. Команду на включение ВВ модуль ЦП 60 отправит в сообщении с битом «запись» в модуль управления 61. ЦПУ 64 модуля управления управляет транзисторными ключами, которые замыкают цепь управления с конденсаторами включения или отключения в зависимости от полученной из модуля ЦП команды. Если ЦПУ 64 получил команду на включение ВВ, он замкнет ту пару ключей, которые соединят конденсаторы включения с цепью управления 65 для того, чтобы сформировать напряжение положительной полярности на ЭМ привода ВВ. Для включения ВВ длительность импульса составит 40 мс. Собственное время включения ВВ составляет не более 27 мс, полное время включения не более 43 мс. Включение или отключение ВВ контролируется модулем ЦП одновременно двумя способами. Во-первых, положение ВВ контролируется переключением блок-контактов ВВ, сигнал с которых по кабелю 66 поступает на дискретный вход модуля управления. Модуль ЦП 60 в каждом цикле шины связи считывает из модуля управления 61 данные о положении ВВ. Во-вторых, о положении ВВ можно судить по наличию тока в сети. Для контроля значение тока в отходящей линии 56 установлен измерительный трансформатором тока (ТТ), сигналы с которого поступают в модуль ввода АС. Мгновенные значения тока в модуле АС преобразуются в цифровой код. Модуль ЦП 60 в каждом цикле шины связи считывает из модуля ввода АС данные о мгновенном значении тока и производит расчет действующего значения тока.

Если ВВ включился, и в сети фиксируется ток заданных значений, то дальнейшая работа МП УРЗА будет осуществляться в режиме ожидания. При возникновении аварийных событий в сети или оборудовании ЭЭС МП УРЗА перейдет в режим релейной защиты и управления ВВ.

Отключение ВВ в результате срабатывания защит.

В случае, если в отходящей линии 56 значение тока достигло значения тока КЗ, в ЦПУ 63 модуля ЦП в рамках программного модуля "релейная защита" принимается решение об отключении ВВ и происходит переход к выполнению программного модуля "управление ВВ", в котором принимается окончательное решение об отключении ВВ. Для того, чтобы в рамках программного модуля "управление ВВ" было принято окончательное решение об отключении ВВ, при чтении модулем ЦП данных из модуля управления должны быть получены следующие данные:

- отсутствует блокировка ВВ;

- конденсаторы отключения полностью заряжены;

- отсутствует КЗ или обрыв в цепи управления.

Если такие данные получены, то в ЦПУ 63 (выделен на фиг. 4 серым цветом) принимается окончательное решение об отключении ВВ. Команду на отключение ВВ модуль ЦП 60 передает с битом «запись» в модуль управления 61. Отключение ВВ 57 обеспечивается путем подачи по цепи управления 65 напряжения отрицательной полярности длительностью 20 мс, достаточного для отключения ВВ. Собственное время отключения составляет не более 10 мс, полное время отключения не более 26 мс. Для этого используется накопленный в конденсаторах отключения заряд. После того, как ВВ 57 отключится, подача тока в отходящей линии 56 прекратится.

Включение ВВ в результате срабатывания автоматики.

Через определенный промежуток времени для того, чтобы восстановить подачу электроэнергии в отходящей линии 56, в ЦПУ 63 модуля ЦП в рамках программного модуля "АПВ" инициируется команда на повторное включение ВВ, после чего будет осуществлен переход к выполнению программного модуля "управление ВВ", в котором принимается окончательное решение о включении ВВ. Для того, чтобы в рамках программного модуля "управление ВВ" было принято окончательное решение о включении ВВ, при чтении модулем ЦП данных из модуля управления должны быть получены следующие данные:

- отсутствует блокировка ВВ;

- ВВ находится в отключенном положении;

- конденсаторы включения и отключения полностью заряжены;

- отсутствует КЗ или обрыв в цепи управления;

- кнопка аварийного отключения находится в неактивированном состоянии.

Если такие данные получены модулем ЦП, то в ЦПУ 63 (выделен на фиг. 4 серым цветом) принимается окончательное решение о включении ВВ. Команду на включение ВВ модуль ЦП 60 передает с битом «запись» в модуль управления 61. Включение ВВ 57 обеспечивается путем подачи по цепи управления 65 напряжения положительной полярности длительностью 40 мс, достаточного для включение ВВ. Для этого используется накопленная электрическая энергия встроенный в модуль управления конденсаторов включения. После того, как ВВ 57 включится, подача тока в отходящей линии 56 возобновится. Если за время, в течение которого ВВ 57 был отключен, КЗ в отходящей линии 56 самоустранилось (кратковременная аварийная ситуация) подача электроэнергии по отходящей линии 56 будет продолжена.

Если же МП УРЗА 55 вновь зафиксирует ток КЗ в отходящей линии 56 (устоявшаяся аварийная ситуация), то ЦПУ 63 вновь перейдет к выполнению программных модулей "релейная защита" и "управление ВВ" для того чтобы принять окончательное решение об отключении ВВ 57.

Формированию выходного сигнала УРОВ.

Если, после того как была отправлена команда из модуля ЦП в модуль управления на отключение ВВ, из модуля управления прочитаны данные о том, что ВВ так и остался включенным, а из модуля ввода АС прочитаны данные о наличии тока в отходящей линии 56, то в модуле ЦП принимается решение об отказе ВВ. В этом случае в ЦПУ 63 модуля ЦП в рамках программного модуля "УРОВ" формирует выходной сигнал "УРОВ". Выходной сигнал УРОВ предназначен для отключения смежных с отказавшим коммутационных аппаратов, т.е. должно быть произведено отключение тех коммутационных аппаратов, через которые идет подпитка точки КЗ (коммутационных аппаратов со стороны источников питания). Применение УРОВ обусловлено повышенными требованиями к отключению тока КЗ за наименьший промежуток времени. В качестве примера на фиг. 4 показаны три МП УРЗА на одной подстанции, а именно первый МП УРЗА 55, второй МП УРЗА 69 и третий МП УРЗА 70. Первый МП УРЗА 55 отключает ВВ 57 в отходящей линии 56. Второй МП УРЗА 69 отключает ВВ 71 на линии 72 ввода первой секции шин. Третий МП УРЗА 70 отключает секционный ВВ 73, который предназначен для коммутации первой секции шин со второй секцией шин. ВВ 71 и ВВ 73 являются смежным по отношению к отказавшему ВВ 57, так как через них идет подпитка точки КЗ. МП УРЗА 55 отправляет сигналы УРОВ по кабелю 74 во второй МП УРЗА 69 и по кабелю 75 в третий МП УРЗА 70. При выполнении поступившего сигнала УРОВ второй и третий МП УРЗА отключают собственные ВВ и блокируют свои функции "АПВ" или "АВР" (автоматики ввода резерва).

В итоге из-за того, что модуль ЦП 60 и модуль управления 61 общаются между собой по защищенной от электромагнитных помех цифровой шине связи 59 с циклом 1 раз в 0,156 мс, достигнута возможность наиболее быстрого формирования сигнала УРОВ, а именно сигнал УРОВ может быть направлен в другие МП УРЗА через 0,05 с.

Отключение ВВ оперативным персоналом от кнопки аварийного отключения.

Заявляемое МП УРЗА отвечает общим техническим требованиям [13], которые распространяются на микропроцессорные устройства защиты и автоматики энергосистем, применяемым на электростанциях, подстанциях и в электрических сетях 6-1150 кВ ЕЭС России. В том числе заявляемое МП УРЗА отвечает требованиям пункта 3.1.1. [13], согласно которому «технические средства и программное обеспечение МП РЗА должны выполняться с использованием модульного принципа. При этом должна обеспечиваться независимая работа исправных модулей при отказах или неисправностях в соседних модулях. Этим должна обеспечиваться и независимость реализации заданных функций при потере какой-либо из них». Это требование реализуется в МП УРЗА тем, что оно содержит модуль ЦП с ЦПУ, в котором выполняется прикладное ПО, в состав которого входит программный модуль "управление ВВ" и модуль управления с ЦПУ, в котором выполняется ПО, в состав которого входит программный модуль "аварийное управление ВВ". Программный модуль "аварийное управление ВВ" начинает выполняться в момент поступления в ЦПУ 64 сигнала с кнопки 68 аварийного отключения и результатом его выполнения является решение об отключении ВВ, которое выполняется вне зависимости от поступивших из модуля ЦП команд. При выполнении программного модуля "аварийное управление ВВ" могут учитываться данные о полной зарядке конденсаторов отключения и данные диагностики цепи управления. Наличие ЦПУ в модуле управления, в ПО которого входит программный модуль "аварийное управление ВВ" дает возможность оперативному персоналу отключить ВВ кнопкой 68 аварийного отключения. Такая возможность позволяет оперативному персоналу отключить ВВ при диагностировании неисправности (отказа) модуля ЦП при нормальном режиме работы сети или оборудования ЭЭС.

Кнопку 68 аварийного отключения ВВ можно использовать и для того, чтобы отключить ВВ и прекратить подачу тока к оборудованию, которое начало работать в аварийном режиме, при этом возникновение этого аварийного режима не связано с КЗ в шине, по которой идет подача тока на это оборудование. Так, например, выносной пульт с кнопкой 68 аварийного отключения можно разместить рядом с двигателем, подача тока на который осуществляется по отходящей линии. В случае, если двигатель начинает работать в аварийном режиме, что приводит к его разрушению, оперативный персонал может отключить ВВ нажатием на кнопку 68 и прекратить подачу тока к двигателю. В данном случае возможность независимой работы модуля управления 61 позволяет отключить ВВ 57 в отходящей линии без модуля ЦП 60, который исправен, но бездействует (не подает сигнал на отключение ВВ), поскольку сеть работает в нормальном режиме.

Список литературы

1. Комплектные распределительные устройства напряжением 6(10) кВ «Классика» серии D // Руководство по эксплуатации ВИЕГ 674512.001 РЭ, Электротехнический завод ВЕКТОР, - С. 14. Точный адрес руководства по эксплуатации: https://www.tavrida.corn/upload/iblock7ef3mEG-674512.001-RE.pdf

2. Патент РФ на полезную модель №190311 «Блок управления вакуумным выключателем с электромагнитным приводом».

3. Модули управления СМ 16 для вакуумных выключателей BB/TEL. TER_CBdoc_UG_1 Версия 2.5 // Руководство по эксплуатации, Таврида Электрик, 07.2018 - С. 12-14 Точный адрес руководства по эксплуатации: https://www.tavrida.com/upload/iblockyfb3/CM_16_User_Manual.pdf

4. IEEE Std С37.2™ - 2008 IEEE Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations IEEE Power and Energy Society.

5. Блоки управления РиМ БУ выключателем вакуумным РиМ ВВ-10 // Руководство по эксплуатации КОД ОКП 42 3700, АО «Радио и Микроэлектроника» (Новосибирск), - С. 7, 8. Точный адрес руководства по эксплуатации: https://rimteh.com/sites/default/files/no3_re_rim_vv_bu_12-_2_20.10.2017_g.pdf

6. Реклоузер вакуумный серии РВА/TEL, Техническое описание, Таврида Электрик, с. 3-9, найдено в Интернете по адресу: http://makusi-dmitriy.narod.ru/HTD/Soft/ispytaniya/vak/pva_tel_4.pdf, дата размещения в Интернете подтверждена https://web.archive.org/web/20190601000000*/http://makusi-dmitriy.narod.ru/HTD/Soft/ispytaniya/vak/pva_tel_4.pdf

7. Вакуумный выключатель BB/TEL-10. Решения для SMART-ретрофита шкафов КСО, КРУ, КРУН // Руководство по эксплуатации LD8SRF, TER CBdoc UG13 Версия 7.1, Компания «Таврида Электрик», 03.2021. - С. 24-26, 38-39. Точный адрес руководства по эксплуатации: https://www.tavrida.ru/upload/iblock/077/pldla6k07zgv4tmER_CBdoc_UG_13.pdf

8. Коммутационные аппараты // Общество с ограниченной ответственностью «АСТЕР ЭЛЕКТРО» (Новосибирск), декабрь 2014. - С. 17-19. Точный адрес буклета: http://velto.ru/download/Aster.pdf

9. Коммутационные аппараты // Общество с ограниченной ответственностью «АСТЕР ЭЛЕКТРО» (Новосибирск), 2018. - С. 15. Точный адрес буклета: https://www.asterelectro.ru/files/ugd/5630c0_93dfe0869bad420dbae6ad8abfd2 d58c.pdf

10. Блок управления вакуумным выключателем By/AST-21 // Руководство по эксплуатации БУ.21.0.0.00.103 РЭ, Общество с ограниченной ответственностью «АСТЕР ЭЛЕКТРО» (Новосибирск), 2017. - С. 10, 19. Точный адрес руководства по эксплуатации: https://www.asterelectro.ru/_files/ugd/5630c0_513ccb34a7f24425a8d6a8b96b284c61.pdf

11. Модуль микропроцессорной защиты блока управления вакуумным выключателем БУ/А8Т-21 // Руководство пользователя БУ.21.9.0.00 РП, Общество с ограниченной ответственностью «АСТЕР ЭЛЕКТРО» (Новосибирск), версия 103 от 12.06.17. - С. 6, 13. Точный адрес руководства пользователя: https://www.asterelectro.ru/_files/ugd/5630c0_27e5ac1b28184a6ca2b1c9f57d648228.pdf

12. Модуль микропроцессорной защиты блока управления вакуумным выключателем By/AST-21 // Руководство по эксплуатации 3433-115-23566247-2014.РЭ, Группа компаний «Энерготехмонтаж» (Москва). - С. 33-35. Точный адрес руководства пользователя: http://e-tmm.ru/userfiles/RE_MPZ_BY_AST-2 l_v 100.pdf

13. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем, РД 34.35.310 - 97, Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России», утверждены департаментом науки и техники РАО «ЕЭС России» 03.02.97 г. пункт 3.1.1.

14. Патент РФ на изобретение №2615138 «Устройство релейной защиты и автоматики (варианты)».

Изобретение относится к энергетике, а именно к микропроцессорному устройству релейной защиты и автоматики (далее МП УРЗА). Технический результат заключается в расширении арсенала средств МП УРЗА. Технический результат достигается тем, что МП УРЗА (33) имеет модульное исполнение, и в состав модулей входят как модули для выполнения функции релейной защиты и автоматики, так и модуль, функцией которого является управление одним вакуумным выключателем. В корпусе (34) расположены объединительная плата (38) и следующие модули: модуль центрального процессора (37), модуль питания (44), модуль управления вакуумным выключателем (47), модуль ввода аналоговых сигналов (43) и модули ввода/вывода дискретных сигналов (51-54). На объединительной плате расположена цифровая магистральная шина связи, по которой между модулем центрального процессора и всеми другими функциональными модулями (кроме модуля питания) происходит обмен данными в режиме ведущий-ведомый, где ведущим является модуль центрального процессора. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики модульного исполнения, содержащее корпус, в котором расположена объединительная печатная плата и следующие функциональные модули: модуль центрального процессора с вычислительным управляющим устройством, в котором выполняется прикладное ПО, в состав которого входят программный модуль релейной защиты и программные модули автоматики; модуль питания; по меньшей мере один модуль ввода аналоговых сигналов и модули ввода/вывода дискретных сигналов, при этом на объединительной печатной плате расположена цифровая магистральная шина связи, по которой между модулем центрального процессора и всеми другими функциональными модулями (кроме модуля питания) происходит обмен данными в режиме ведущий-ведомый, где ведущим является модуль центрального процессора, отличающееся тем, что оно содержит дополнительный функциональный модуль, а именно модуль управления одним вакуумным выключателем, предназначенным для сетей трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и номинального напряжения 6-35 кВ и имеющим электромагнитный привод, при этом модуль управления содержит вычислительное управляющее устройство, конденсаторы, первый соединитель, предназначенный для кабеля, предназначенного для подачи электрической энергии с конденсаторов на электромагниты привода вакуумного выключателя, и второй соединитель, предназначенный для кабеля, предназначенного для передачи сигнала о положении вакуумного выключателя, а в состав прикладного ПО дополнительно входит программный модуль управления вакуумным выключателем, в котором принимается окончательное решение о включении или отключении вакуумного выключателя на основании полученного решения о включении или отключении вакуумного выключателя из других программных модулей прикладного ПО и данных, полученных из модуля управления.

2. Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики по п. 1, отличающееся тем, что в состав данных, полученных модулем центрального процессора из модуля управления и предназначенных для принятия окончательного решения о включении или выключении вакуумного выключателя в программном модуле управления вакуумным выключателем, входят следующие данные: о положении вакуумного выключателя, о полной зарядке конденсаторов, об отсутствии короткого замыкания или обрыва в цепи управления вакуумным выключателем.

3. Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики по п. 1, отличающееся тем, что в качестве вычислительного управляющего устройства используется микропроцессор или микроконтроллер.

4. Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики по п. 1, отличающееся тем, что модуль управления содержит третий соединитель, предназначенный для кабеля, предназначенного для передачи сигнала на отключение вакуумного выключателя, инициированного оперативным персоналом с кнопки аварийного отключения, при этом вычислительное управляющее устройство модуля управления имеет в составе своего ПО программный модуль аварийного управления вакуумным выключателем который инициализируется в момент поступления в вычислительное управляющее устройство сигнала с кнопки аварийного отключения, и результатом выполнения которого является решение об отключении вакуумного выключателя, которое выполняется вне зависимости от команд из модуля центрального процессора.

5. Микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики по п. 1, отличающееся тем, что на объединительной печатной плате расположена шина питания, предназначенная для подачи питания от модуля питания на все функциональные модули.