МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Релейная зашита и автоматизация электроэнергетических систем»
Расчетное задание
по дисциплине «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫУПРАВЛЕНИЯ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ»
на тему: «(ФОРМУЛИРОВКА ТЕМЫ)»
Выполнил
студент – Иванов Н.И.
Группа – 3ЭЭ-АУС-1-14
Шифр –
Проверил:
доцент –
Дата отсылки реферата: 10 марта 2017 г.
Приложение Б
Методические указания к изучению дисциплины
Программа дисциплины состоит из 4 разделов. Ниже по каждому разделу приводится изложение содержания раздела. В завершении каждого раздела приведены вопросы и задания для самопроверки, к которым следует приступать после изучения соответствующей темы. Литература помогает углубленному изучению курса.
Раздел 1. Структура цифрового устройства релейной защиты
Введение в курс «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫУПРАВЛЕНИЯ В электроэнергетике»
Изучив дисциплину «Основы микропроцессорной техники», вы уже знаете основы цифровых технологий, которые являются движущей силой в развитии техники, в том числе и техники, и технологии релейной защиты и автоматики.
В данном предмете «Микропроцессорные системы управления в электроэнергетике» ознакомимся с принципами работы микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики: как терминалы устроены внутри, как терминалы обрабатывают информацию.
Условная схема подстанции представлена на Рис.1, с расположенными на ней силовым трансформатором (Т), высоковольтным выключателем (Q), измерительными трансформаторами тока (ТТ) и напряжения (ТН), воздушной линии электропередачи (ЛЭП), терминалом релейной защиты и автоматики.
Рис.1. Условная схема подстанции, с расположенными на ней силовым трансформатором (Т), высоковольтным выключателем (Q), измерительными трансформаторами тока (ТТ) и напряжения (ТН), воздушной линии электропередачи (ЛЭП), терминала релейной защиты и автоматики
Работа терминала релейной защиты и автоматики заключается в следующем (сильно упрощенно):
• измерение токов (с помощью ТТ, на ЛЭП токи порядка 100 А, первичные токи, после ТТ в терминал РЗА приходят токи 5 А или 1 А, вторичный ток) и напряжений (с помощью ТН, на ЛЭП напряжение порядка 110 кВ, первичное напряжение, после ТН к терминалу РЗА приходит напряжение порядка 100 В, вторичное напряжение) на ЛЭП;
• при превышении тока заданной уставки (I > I срабатывания), в течение времени Т срабатывания, терминал подает на выключатель Q команду отключения (принцип работы Максимально Токовой Защиты, МТЗ).
На презентации «Блоки микропроцессорного терминала» ознакомьтесь из чего состоит терминал РЗА.
На презентации «Входные сигналы микропроцессорных терминалов» ознакомьтесь с прохождением сигналов по ОРУ и ОПУ.
В презентации «Принципы работы цифровых устройств защиты» рассмотрены большинство вопросов данного предмета.
С появлением микропроцессоров (микроконтроллеров) развитие техники идет по пути появления интеллектуальных свойств у отдельных устройств, у целых систем, когда логика работы устройства определяется компьютерной программой. Развитие технологий энергетики происходит по пути придания оборудованию интеллектуальных свойств, базой для этого являются цифровые микропроцессорные технологии. Общее название для такого пути развития было дано как «Smart grid » («Умная сеть»):
A smart grid delivers electricity from suppliers to consumers using digital technology to save energy, reduce cost and increase reliability and transparency.
То есть задачами «Smart grid » технологий являются:
• Энергосбережение,
• Уменьшение стоимости,
• Увеличение надежности,
• Увеличение прозрачности, контроля и управляемости.
Иными словами, от фрагментарной автоматизации происходит постепенный поворот в сторону единой цифровой системы защиты, контроля и управления, которая охватывает все стороны работы и функционирования систем энергоснабжения.
Минэнерго России на Заседании президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России представило «дорожную карту» «Энерджинет» Национальной технологической инициативы (Москва, 28 сентября 2016 г. https://minenergo.gov.ru/node/6116).
Основные целевые показатели в «дорожной карте»: «Это интеллектуальное коммутационное оборудование и информационные системы управления им, интеллектуальная распределённая энергетика, в том числе на базе ВИЭ (накопители и системы управления производством электроэнергии)».
В частности, цифровая электроэнергетическая сеть, состоящая из интеллектуальных коммутационных аппаратов (реклоузеров), систем управления, учёта энергии, оперативно-диспетчерского управления, которые позволят на четверть снизить стоимость владения сетью, не менее чем на 50% уменьшить потери в ней и более чем на 70% снизить аварийность.
Виртуальная электростанция, которая объединит объекты распределённой генерации, потребителей с управляемой нагрузкой и накопители электроэнергии для их совместной работы на рынках, что позволит сократить затраты на создание и поддержание работоспособности резервов.
Это аккумуляторные батареи большой мощности с низкой удельной стоимостью хранения киловатт-часа, которые позволят сглаживать пики нагрузки и в ряде случаев ликвидировать неразрывность производства и потребления электрической энергии.
Утвержден Прогноз научно-технологического развития отраслей ТЭК России на период до 2035 года.С учетом Прогноза НТР Минэнерго России был разработан проект Энергетической стратегии России на период до 2035 года. В электроэнергетике повышению надежности функционирования национальных энергетических систем будет способствовать развитие технологий:
- активно-адаптивных электрических сетей, технологических концепций Smart Grid и Энерджинет,
- внедрение систем автоматизированной защиты и управления электрическими подстанциями («цифровой подстанции»),
- нового электротехнического, электромеханического и электронного оборудования, применение новых конструкционных материалов, в том числе композитных, разработка материалов и технологий для проводов, а также появление высокотемпературных сверхпроводниковых материалов.
Также к числу перспективных технологических направлений, способных изменить будущий облик ТЭК, в документе, отнесены водородная энергетика, малая распределенная генерация с использованием возобновляемых источников энергии, фотоэлектрические преобразователи, сетевые накопители.
Схематично технологи «Smart grid » можно разбить на две части: 1) интеллектуальные свойства отдельных устройств и 2) интеллектуальные свойства всей системы энергоснабжения (которая имеет протяженные размеры, десятки, сотни, тысячи километров).
| Интеллектуальные свойства | |
| Отдельное устройство | Система энергоснабжения |
| · Управление устройством осуществляет микропроцессор. · Логика работы устройства определяется компьютерной программой. | · Параллельно системе энергоснабжения – прокладываются цифровые сети передачи данных. · По цифровым сетям передачи данных – осуществляется контроль и управление системой энергоснабжения. |
Именно с развитием цифровых систем, как отдельных устройств, так и целых систем энергоснабжения, связана актуальность предмета «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫУПРАВЛЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ».
Первая часть предмета, «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫУПРАВЛЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ», связана с внедрением микропроцессоров в различные устройства. Сравним микропроцессор (микроконтроллер) с обычным бытовым процессором, стоящим в домашних компьютерах.
| параметр | Процессор | Микропроцессор |
| Стоимость, в долларах | ~100 | ³1 |
| Число выводов | ~1000 | ³2 |
| Тактовая частота | ~1 ГГц | ~1МГц |
Как видим, все параметры микропроцессора в более чем в 100 раз меньше, чем у обычного домашнего процессора, стоящего в домашних компьютерах. Самое главное значение имеет начальная, минимальная цена простых микропроцессоров – порядка одного доллара. Такая малая цена приводит к тому, что во все устройства, стоимость которых примерно на порядок (в 10 раз) больше стоимости микропроцессора, можно встроить микропроцессор (различный по сложности, в зависимости от стоимости устройства), который будет полностью управлять и контролировать работу устройства. В результате буквально все технические устройства стали цифровыми, в них встроен микропроцессор.
Наличие микропроцессора добавляет новые, интеллектуальные свойства устройству:
· Кнопочное управление устройством,
· Алфавитно – цифровой, графический дисплей, голосовые, видео сообщения,
· Сложная логика управления.
Логика управления устройством определяется компьютерной программой, которая записана в память устройства. При этом современные элементы «флеш » памяти имеют весьма большую емкость – сотни гигабайт. Поэтому сложность логики управления устройством не ограничена емкостью памяти, а определяется, ограничивается двумя факторами:
· Фантазией разработчиков устройства,
· Возможностью потребителей (например: релейщиков) понять и использовать сложные алгоритмы управления устройством.
Например: Микропроцессорный терминалы релейной защиты серии «Sepam ».
Задание на самостоятельную работу:
· Рассмотреть бытовые приборы, имеющие цифровое управление (сотовый телефон, микроволновая печь, стиральная машина, телевизор, цифровой плеер и т.д.).
· Рассмотреть применяемые в энергетике цифровые устройства (цифровой тестер «Ретометр», цифровое устройство настройки реле «Ретом-51», частотные преобразователи серии «Altivar», микропроцессорные терминалы релейной защиты серии «Sepam» и т.д.)
Вторая часть предмета, «Интерфейсы микропроцессорных терминалов», связанна с цифровыми сетями передачи данных, которые осуществляют контроль и управление системой энергоснабжения. То есть по силовым линиям электропередачи, передачи тепловой энергии – передается энергия на большие расстояния. Параллельно силовым сетям – проложены цифровые сети передачи данных. По этим каналам связи собираются данные контроля, передаются команды управления. Рассмотрим некоторые задачи, которые решают с использованием данной цифровой сети передачи данных.
· АСКУЭ. Автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии. Повсеместно устанавливаются цифровые счетчики электроэнергии (тепловой энергии). Данные со счетчиков передаются по цифровым линиям связи в единый центр. Пример цифровых счетчиков электроэнергии можете наблюдать дома: цифровой счетчик электроэнергии, данные с которого автоматически передаются снабжающей организации.
· ТСДТУ. Технические средства диспетчерского и технологического управления. По цифровым сетям связи передаются команды управления системой энергоснабжения.
· Системы защиты и автоматики управления системой энергоснабжения. Высокочастотные защиты воздушных линий электропередачи. В этом типе защиты непосредственно по проводам воздушной линии электропередачи передаются высокочастотные сигналы, которые использует релейная защита (ВЧ блокировка, Дифференциально - Фазная Защита).
· Дифференциальные защиты линий электропередачи. Следующее поколение высокочастотных защит. Для передачи данных используются волоконно – оптические линии, проложенные вдоль воздушной линии электропередачи.
· Распределенные системы автоматической частотной разгрузки (АЧР). Системы частотной разгрузки обычно отключают целые предприятия. Для уменьшения ущерба у потребителей, системы частотной разгрузки заходят внутрь предприятия и отключают отдельные объекты у потребителей. Так например в больнице можно последовательно отключать до 80% нагрузки, не трогая реанимацию и операционные.
Кроме того, что по линиям связи передаются цифровые данные, современные устройства связи сами являются цифровыми, управляются микропроцессором, формируют сигналы передатчика цифровым способом.
Например: цифровые системы связи по ЛЭП «ABB ETL600».
Задание на самостоятельную работу:
· Рассмотреть бытовые связные приборы, имеющие цифровое управление (проводной телефон, сотовый телефон, телевизор, и т.д.).
· Рассмотреть применяемые в энергетике цифровые связные устройства (устройства ВЧ связи по ЛЭП, устройства оптоволоконной связи, применение GPS приемников для позиционирования, для получения сигналов точного времени и т.д.)
(л.1.в.1) входные сигналы микропроцессорных блоков релейной защиты: логические сигналы, аналоговые сигналы (напряжение, ток), датчики температуры, датчики частоты. Цифровые измерительные трансформаторы – оптический сигнал (оптоволокно).
Классификация входных сигналов микропроцессорных терминалов РЗА.
Аналоговые, логические, цифровые (после АЦП).
Физические (от измерительных устройств), расчетные (терминал рассчитывает в цифровом виде, на основе физических сигналов).
Аналоговые: физические (с датчиков).
· С измерительных трансформаторов тока поступает ток 1А или 5А (номинальное значение).
· С измерительных трансформаторов напряжения поступает напряжение 100В (номинальное значение), фазное (напряжение фазного провода относительно земли) или линейное (напряжение между двумя фазными проводами).
· С датчиков температуры (термосопротивление, обычно R=100 Ом при t°=0 Цельсия, из Pt платины или Ni никеля).
Логические: используются для передачи логических сигналов:
· от терминала до выключателей (команды включения, отключения терминала,
· контрольный сигнал о состоянии выключателя),
· логические сигналы между терминалами (например: для формирования логической защиты шин, ЛЗШ, для передачи команд ускорения защит и т.д.),
· с датчиков числа оборотов вращающихся машин (двигателей и генераторов), обычно один импульс на один оборот.
Расчетные (цифровые, на основе цифровых физических сигналов после АЦП).
· На основе фазных напряжений и токов – рассчитываются симметричные составляющие: нулевая, прямая и обратная последовательности (Io, I1, I2, Uo, U1, U2). В англоязычной литературе встречаются другие обозначения: Io, Id (direct), Ii (inverse).
· На основе токов и напряжений – рассчитываются активная, реактивная и полная мощность (P, Q, S). Причем активная и реактивная мощности имеют знак (могут быть положительными или отрицательными), полная мощность – только положительная.
· На основе напряжения – рассчитывается частота (номинальное значение F=50Гц).
· На основе значения термосопротивления – рассчитывается температура объекта t° (прямое измерение температуры).
· На основе значения тока объекта (например: кабеля) - рассчитывается температура объекта t° (косвенное измерение температуры).
· На основе тока и напряжения – рассчитывается комплексное (полное) сопротивление X (в защитах по сопротивлению, в дистанционных защитах).
· На основе параметров тока по двум сторонам объекта (I’ и I”) – рассчитываются рабочий и тормозные токи в дифференциальных защитах объектов.
· На основе токов и напряжений – рассчитываются амплитуды первой (F1=50Гц) и высших (Fi=i*F1) гармоник. Для этого применяют преобразование Фурье (или быстрое преобразование Фурье БПФ). Так терминал Sepam определяет амплитуды до 13ой гармоники. Амплитуда первой гармоники (тока и напряжения) используется для работы защит, высшие гармоники используются для определения переходных процессов в сетях (существует одна защита по напряжению третей гармоники - защита статора генератора, двигателя).
Для более компактной записи используют оператор фазы (или фазный множитель) a = e j ⋅120. Это такой вектор, скалярная величина которого равна 1 и который в комплексной плоскости образует с положительной осью вещественных количеств угол 120°. Умножить вектор на оператор фазы – значит повернуть его на 120° против часовой стрелки, не изменив величины. Повторное умножение на оператор – поворот вектора на тот же угол по часовой стрелке или на 240° против часовой стрелки, ещё одно умножение на оператор фазы возвращает вектор в исходное положение.
Положительное направление вращения векторов – против частовой стрелки. A опережает В, В опережает С – на 120 градусов.
Для измерения температуры объектов используют проволочные термосопротивления из платины (или никеля). Зависимость сопротивления термосопротивления Pt100 от температуры показана на рисунке (ссопротивление увеличивается почти линейно с увеличением тепературы).
1. Активная мощность: обозначение P, единица измерения: Ватт
P = I*U*Cos ф
2. Реактивная мощность: обозначение Q, единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)
P = I*U*Sin ф
3. Полная мощность: обозначение S, единица измерения: ВА (Вольт Ампер)
4. Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ, единица измерения: безразмерная величина
Эти параметры связаны соотношениями: S*S=P*P+Q*Q, cosФ=k=P/S
Также cosФ называется коэффициентом мощности (Power Factor – PF)
Построение релейных защит на основе входных физических и расчетных сигналов:
На основе одного сигнала: Максимальные – минимальные. Например МТЗ – максимально токовая защита, защита минимального напряжения).
На основе двух сигналов: Направленные (ток + активная мощность, например: направленная МТЗ), с учетом напряжения (ток + напряжение, например: МТЗ с пуском по напряжению), дифференциальные (продольные, например: ДФЗ, ВЧБ, ДЗЛ; поперечные, например: поперечная токовая защита двух параллельных линий) (на основе двух токов).
С передачей сигналов по линии (по проводам ЛЭП – ВЧ связь по ЛЭП, по оптоволокну, логические сигналы): ВЧ защиты (ДФЗ, ВЧБ), ДЗЛ, Логическая защита шин ЛЗШ (логическая селективность).
Выходная цепь логических сигналов терминалов – контакт реле («сухой контакт»), обычно контакт электромеханического или твёрдотельного реле.
Входная цепь логических сигналов терминалов – преобразователь уровней (220В -> 5В), триггер Шмидта (с гистерезисом перехода с «1» на «0» и с «0» на «1», например: переход с 0 на 1 переходит при превышении напряжения на логическом входе выше 120В, обратный переход с 1 на 0 переходит при уменьшении напряжения ниже 100В).
Схема передачи логических сигналов – оперативное питание (+220В) подается на выходной контакт реле, второй контакт реле соединен со входом логических сигналов, второй контакт входа – соединен с оперативным питанием (-220В).
Входная цепь датчика температуры (проволочного термосопротивления Pt100) – устройство преобразующее сопротивление R датчика в напряжение, и далее определение температуры объекта t° по паспортной кривой зависимости сопротивления R от температуры.
Датчик частоты вращения двигателей, генераторов – на стенку вращающегося вала прикрепляют магнит, рядом располагают датчик магнитного поля, который при прохождении магнита рядом с датчиком магнитного поля выдает 1 импульс (на каждый оборот машины 1 логический сигнал). Подсчитывая число импульсов в минуту – определяем скорость вращения вала.
Цифровые измерительные трансформаторы – измеренные значения тока и напряжения выдаются в виде цифрового оптического сигнала (передается по оптоволокну). В отличие от обычных измерительных трансформаторов не содержат железный сердечник, поэтому не подвержены насыщению, ферро магнитному резонансу, оптоволоконный кабель связи обеспечивает гальваническую развязку измерительного трансформатора (который обычно располагается на ОРУ) от устройств релейной защите (ОПУ).
--------------------
(л.1.в.2) параметры логических сигналов, аналоговых сигналов (напряжение, ток), датчиков температуры - микропроцессорных блоков релейной защиты. Параметры оптических сигналов: оптический интерфейс (разъем) – без искровой, в агрессивной среде не окисляется, оптоволокно – не передаются напряжения грозовые и КЗ.
---------------------
Амплитуда логических сигналов – 0 -> 0B, 1 -> +220B. Иными словами, логические сигналы (например: команда от терминала на отключение выключателя) передаются уровнем оперативного питания 220В. Большой уровень необходим для защиты от помех при прохождении логических сигналов по линиям связи (кабелям) по ОРУ (среда с высоким уровнем помех – например коммутационные помехи).
На выходе терминала логический сигнал формируется с помощью контакта реле. На входе другого терминала стоит триггер Шмидта, который выдает логический сигнал «1» при превышении уровня сигнала на входе порогового значения, например, 70 вольт. На высоковольтном выключателе логический сигнал подается на соленоид отключения (или соленоид включения). В качестве линии связи применяются обычные медные кабели.
Амплитуда аналогового сигнала напряжения – синусоидальное напряжение 100В (вторичная величина измерительного трансформатора напряжения, при номинальном значении первичного напряжения), частотой 50Гц (1-ая гармоника)
Амплитуда аналогового сигнала тока - синусоидальный ток 1А или 5А, (вторичная величина измерительного трансформатора тока, при номинальном значении первичного тока), частотой 50Гц (1-ая гармоника)
Входная цепь аналогового сигнала – преобразователь (трансформатор) входной величины в стандартный сигнал (0 – 5 В), далее фильтр нижних частот (0 – 650 Гц) (пропускает с 1-ой по 13-ю гармонику частоты 50Гц), полученный в результате такой обработки сигнал подается на АЦП.
Измерение гармоник – по амплитуде тока, напряжения 1-ой гармоники 50Гц работают защиты, высшие гармоники (со 2-ой по 13) – для обнаружения переходных процессов.
Параметры оптических сигналов: оптический интерфейс (разъем) – без искровой (можно применять во взрывоопасной среде, например в шахтах), в агрессивной среде не окисляется, оптоволокно – не передаются перенапряжения, возникающие при попадании молнии и при коротких замыканиях.
(л.2.в.1) Структура микропроцессорных блоков релейной защиты: АЦП, АЛУ, ЦАП, ОЗУ, ПЗУ, дисплей, клавиши управления, сигнальные светодиоды, выходные реле.
-------------
Микропроцессор –
Все элементы расположены в одном корпусе (ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, АЦП, ЦАП)
Малые размеры, малая стоимость, малая рабочая частота (~100МГц).
Предназначен для встраивания в оборудование, предавая интеллектуальные свойства:
- сложные логики управления,
- цифровое отображение,
- кнопочное управление.
-------------------
Требования к АЦП – преобразует входные аналоговые сигналы в цифровую форму, для последующей обработки сигналов в цифровом виде.
-------------------
Требования к ПЗУ – хранение программы работы устройства, Перепрограммируемое ПЗУ – хранение настроечных параметров (уставок), сохраняющихся при потере питания.
-------------------
Требования к ОЗУ – выполнение программы управления устройством, непрерывная запись рефлектограмм (запись сигналов тока, напряжения, логических сигналов – во время аварийного процесса).
-------------------
Арифметическое Логическое Устройство – управляет работой устройства, по программе, заложенной в ПЗУ. Выполняет арифметические (сложение, вычитание) и логические (операции сравнения, битовые операции) команды.
-------------------
Требования к ЦАП – формирует аналоговый сигнал, на основе цифровой информации.
-------------------
Алфавитно-цифровой дисплей, графический дисплей – отображение измеренных значений, меню настройки (параметрирования) устройства, отображение сообщений о событиях (аварийных ситуациях), графическое отображение схемы сети.
-------------------
Клавиши управления – управление устройством (ввод пароля доступа, параметрирование – ввод уставок, включение/отключение защит), клавиши управления меню (стрелки вверх, вниз, влево, вправо, ввод), клавиши быстрого доступа к пунктам меню.
-------------------
Сигнальные светодиоды – для быстрого отображения наступления событий (включено, авария, …), возможность назначать (при параметрировании) каждому светодиоду разные события.
-------------------
Выходные реле – контакты реле (герконовое) формируют выходной логический сигнал, нормально разомкнутый, нормально замкнутый контакт реле.
-------------------
RS232 (на современных терминалах появились USB) – интерфейс (разъём) на передней панели терминала, для подключения компьютера, настройка терминала, скачивание осциллограммы, загрузка новой прошивки терминала.
RS485 – интерфейс (разъём) на задней панели терминала, для подключения к сети предприятия, удаленный контроль и управление терминалом.
-------------------
(л.2.в.2) обработка сигналов в микропроцессорных блоках релейной защиты: входной фильтр низких частот для аналоговых сигналов, параметры АЦП (частота дискретизации по времени, точность дискретизации по амплитуде).
----------------------
Входной фильтр низких частот для аналоговых сигналов - ФНЧ – (0-650Гц), пропускает сигналы от 1-ой до 13-ой гармоники промышленной частоты 50Гц. Отсекает все мешающие сигналы (помехи) с частотой выше 650Гц.
--------------------
Параметры АЦП (частота дискретизации по времени, точность дискретизации по амплитуде) –
- точность измерения лучше 1% (типовое значение точности измерения токов и напряжений микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики),
- 8 бит формат выходных данных АЦП, достаточное для получения точности 1% (минимальное значение, обычно 10 – 14 бит, с учётом расширения диапазона входных сигналов выше номинальных, для тока – до 40 крат превышение номинальных токов при коротких замыканиях),
- измерение 26 точек за период Т1=0,02сек промышленной частоты 50Гц (минимальное значение, необходимое для измерения гармоник с первой до тринадцатую, обычно 36 точек и более),
- время преобразования – лучше 2 миллисекунды (при минимальном значении 26 точек за период Т1=0,02сек промышленной частоты 50Гц).
------------------
Обработка сигналов в микропроцессорных блоках релейной защиты –
- Обработка программ различных защит, автоматики (сравнение измеренных значений, вычисленных значений – с уставками защит, подачи сигналов о срабатывании защит, подачи команд на отключение выключателя).
- Постоянная запись (во временную кольцевую область памяти ОЗУ) параметров (тока, напряжения, состояния логических сигналов), при срабатывании защит – запись (на основе информации, записанной во временную кольцевую область памяти ОЗУ) цифровой осциллограммы (сигналы до и после момента срабатывания защиты).
- Формирование сигналов телесигнализации - передача сигналов по цифровым линиям связи (RS485, Ethernet) на диспетчерский центр (приём сигналов телеуправления).
- Работа устройства под управлением компьютера, подключенного к устройству (к порту RS232, USB – для настройки терминала).
--------------------------------
Физические сигналы (получаемые от датчиков) –
- Определение амплитуды, фазы, частоты 1-ой гармоники 50Гц – входных аналоговых сигналов (три фазы тока, напряжения, нулевой последовательности тока, напряжения).
- Определение амплитуд гармоник от 1-ой (50Гц) до 13-ой (650Гц) входных сигналов.
- На основе измеренного переменного напряжения – определяется частота промышленной сети F1 (в диапазоне от 20Гц – до 100Гц).
- На основе логических импульсных сигналов с датчика оборотов – подсчитывается частота вращения машин (генераторов, двигателей).
- На основе измерения величины сопротивления R датчика температуры (термосопротивления) – определяется температура контролируемого оборудования.
------------------------------------
Вычисляемые сигналы (на основе физических сигналов).
На основе измеренных значений трехфазных токов и напряжений – вычисляются: активная, реактивная, полная мощность, симметричные составляющие (прямая, обратная, нулевые последовательности) тока и напряжения, гармоники сигналов тока и напряжения.
На основе проходящего по оборудованию тока (который нагревает оборудование), с учетом условий работы оборудования (температуры окружающей среды, работы вентиляторов охлаждения) – путем непрерывного решения дифференциальных уравнений вычисляется температура оборудования.
Вопросы для самопроверки
Опишите входные сигналы микропроцессорных блоков релейной защиты и их параметры: логические сигналы, аналоговые сигналы (напряжение, ток), датчики температуры, датчики частоты (напряжения, оборотов вращающихся машин – генераторов и двигателей).
Опишите вычисляемые сигналы (на основе входных физических сигналов): активная, реактивная, полная мощность, нулевая, прямая, обратная симметричные последовательности, сопротивление (на основе тока и напряжения), рабочий и тормозной токи (дифференциальные защиты), вычисляемая температура, гармоники тока и напряжения (первая гармоника – срабатывание защит, высшие гармоники – обнаружение переходных процессов) - микропроцессорных блоков релейной защиты.
Какова структура микропроцессорных блоков релейной защиты, назначениеблоков: АЦП, АЛУ, ЦАП, ОЗУ, ПЗУ, дисплей, клавиши управления, сигнальные светодиоды, выходные реле?
Опишите обработку сигналов в микропроцессорных блоках релейной защиты: входной фильтр низких частот для аналоговых сигналов, параметры АЦП (частота дискретизации по времени, точность дискретизации по амплитуде).
Раздел 2. Преобразователи входных сигналов
(л.3.в.1) Компаратор. АЦП прямого преобразования.
--------
Компаратор – устройство для сравнения двух напряжений (подаются на два входа компаратора), выходной сигнал – логический («0» или «1»).
-----------
Процесс измерения – сравнение с эталоном (сколько эталонов содержится в измеряемой величине). Первые механические весы – 4000 лет назад, Египет).
-----------
Эталон – мера для измерений (международный, национальный, региональный – эталоны).
-----------
Эталон напряжения –
В основу эталона положен метод преобразования частоты в электрическое напряжение на основе эффекта Джозефсона в сверхпроводниках
-----------
Эталон тока –
В основу эталона положены методы измерений, использующие квантовый эффект Джозефсона, квантование магнитного потока, а также методы электрометрии.
-----------
Эталон времени (частоты) –
Эталон воспроизводит значение единиц времени СИ - секунды и герца в соответствии с действующим международным определением: секунда есть время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133 (Cs, хим. элемент I гр. периодической системы, атомный номер 55, атомная масса 132,9054; относится к щелочным металлам. Природный цезий состоит из стабильного нуклида 133Cs).
-----------
Эталон длины -
В основу эталона положено определение единицы длины "метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды (точно)".
--------------
АЦП прямого преобразования – состоит из набора эталонных напряжений, подключенных к набору компараторов (эталонные напряжения подаются на отрицательные входы компараторов), на положительные входы компараторов подаётся входной сигнал напряжения, выходные логические сигналы всех компараторов формируют выходной цифровой сигнал АЦП.
----------
Достоинства АЦП прямого преобразования – простота схемной реализации (состоит из эталонов и компараторов), максимальная скорость преобразования (определяется скоростью работы компараторов).
------------
Недостатки АЦП прямого преобразования – для создания N – битного АЦП потребуется использовать (2N -1) компараторов.
-------------
(л.3.в.2) ЦАП прямого преобразования. Широтно-Импульсная Модуляция (ШИМ).
------------
ЦАП прямого преобразования – состоит из набора эталонных источников тока, подключенные к выходной цепи через ключи, величины эталонных источников тока сформированы как геометрическая прогрессия от 2: 2i, где i = 0,1,2… Ключи управляются битами входного цифрового сигнала (бит = 1 – ключ включен, бит = 0 – ключ отключен).
Для данной схемы ЦАП, для получения выходного тока 7А подаётся цифровой сигнал управления 7 (десятичное значение), или 0111 (двоичное значение). В результате замыкаются второй (подключая к выходной шине источник эталонного тока 4А), третий, и четвёртые ключи, все вместе (4+2+1) подключенные источники эталонного тока формируют выходной ток 7А.
------------
Достоинства ЦАП прямого преобразования – простота схемной реализации (состоит из эталонов тока и ключей), максимальная скорость формирования выходного аналогового сигнала (определяется скоростью работы ключей), для создания N – битного ЦАП потребуется использовать N эталонов, и N ключей.
--------------
АЦП последовательного приближения. Принцип работы заимствован от принципа работы механических весов: гирьки весов заменяются выходным сигналом ЦАП, вес гирек – выход ЦАП - прикладывается к одному входу весов (к компаратору), на второй вход – подаётся измеряемая величина, гирьки меняем по бинарному принципу – с наибольшего значения, и далее в зависимости от стрелки весов (от выходного сигнала компаратора).
--------------
Широтно-Импульсная Модуляция (ШИМ) – метод формирование аналогового сигнала на основе цифрового сигнала, основан на формировании периодического импульсного сигнала, при этом длительность импульсов сигнала определяется входным цифровым сигналом, период остается неизменным. На выходе – фильтр низких частот, не пропускает частоты периодического импульсн