Text
=
t:
;t
.-.
а
е
&
'=
11\
=
=-
а
(О
L
в.я. Шмурьев
ЦИФРОВЫЕ
РЕЛЕ
ЗАЩИТЫ
лрппОЖЕI1пЕ к ЖУРl1Апу
ЭН
.""-
A
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ
на журнал "Энерrетик"
и приложение
"Библиотечка электротехника"
в России подписку на журнал "Энерrетик"
и ero приложение "Библиотечка электротехника"
должны оформить в любом почтовом отделении связи.
Оба издания можно найти в объединенном
каталorе fоскомсвязи РФ "Подписка 99"
(Том 1. Российские и зарубежные raзеты и журналы).
Ицдексы журнала "Энерremк":
71108 для предприятий и орrанизаций;
71259 для mщивидуальных подписчиков.
'Ицдексы "Библиотечки элеК1pO'I'eхника"
прwlOженuя к :журналу "Энерzетuк":
88983 для предприятий и орrанизаций;
88982 для индивидуальных подписчиков.
"Энерrетик" и "Библиотечка электротехника" включены
также в подписные каталоrи дрyrиx стран CHf
по доrоворам с АО "Areнтство по распространению
зарубежных изданий" (АРЗИ).
Справки, rдe принимается подписка в этих mсударствах,
по телефонам АРЗИ в Москве:
(095) 280 83 65, 280 94 65.
&n&nnотечка эnектротех."nка
прuложенuе "журналу "Энерzетu,,"
Основана в июне 1998 r.
Выпуск 1(4)
в.я. Шмурьев
ЦИФРОВЫЕ
РЕЛЕ
ЗАЩИТЫ
Москва
НТФ "Энерrопроrpeсс", "Энерreтик"
1999
УДК 621.316.925.4
ББК Зl.27 О5
Ш75
fлавный редактор журнала "Энерreтик" АФ. дьяков
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
"Библиотечки элекrpотехника"
В.А. Семенов (председаmель), и.и. Батюк (зам. председателя),
БА Алексеев, КМ. Антипов, [А Безчастнов, АН Жулев, ВА Забеraлов,
в.х. Ишкин, ФЛ KoraH, В.И. Кочкарев, НВ. Лисицъrn, л.r. МамикоНЯlЩ,
Л.Ф. Плетнев, в.и. Пуляев, Ю.В. Усачев, МА llIaбап
Шмурьев в.я.
Ш75 Цифровые реле защиты. М.: НТФ "Энерrопроrpесс",
1999. 56 с.: ил. (Библиотечка электротехника, приложение к
журналу "Энерreтик"; Вып. 1(4».
Предcrавлена Сфyкrypa пocrpoeния аппаратной чаcrи цифровых уcrpoйcrв
защиты и автоматики. Приведены технические хаpaкreристики Ofдельных узлов
цифровых реле. Рассмorpeны особенности реле серии SPACOM производcrвa
российской фирмы "АББ Реле Чебоксары".
ISSN 0013 7278
@ НТФ "Энерroпроrpeсс", "Энерreтик", 1999 r.
Предисловие
Цифровые устройства в релей
ной защите и автоматике (РЗА) Ha
чали широко применяться за рубе
жом ОКОЛО двух десятилетий тому
назад. За это вреw.я определилась
оmималъная cтpyкrypa поcrpoeния
аппаратной части реле, мноmе тex
нические решения стали типоВbl
ми. Как следствие, современные
цифровые реле, даже произведен
ные разными фирмами, имеют
мноro общеro, а их характеристи
ки очень близки. Так, мощность,
потребляемая от измерительных
трансформаторов тока и напряже
ния, находится на уровне 0,1
0,5 В. А, аппаратная поrреш
ность в пределах 2 5 %, коэф
фициент возврата измерительных
opraHoB составляет 0,96 0,97.
Близки и прочие параметры.
Переход на цифровые способы
обработки информации в устройст
вах РЗА не привел к появлению
каких либо новых принципов по
строения защиты электроустано
вок, но существенно улучшил экс
плуатационныIe качества реле. Пос--
леднее и делает цифровые устрой
ства конкурентоспособными на
рынке релейной защитыI' хотя воз
никает ряд затруднений при их
внедрении. как правило, возника
ют и оrpаничения, обусловленныIe
действием существующих HopMa
тивных документов, устоявшимися
традициями и представлениями.
За рубежом уже наметился
переход к следующему поколению
цифровых устройств Р3А с интеr
рацией в рамках единоro информа
ционноro комплекса функций pe
лейной защитыI' измерения и KOM
мерческоro учета элеюроэнерmи,
реrулирования и управления
электроустановкой. Такие устрой
ства в структуре автоматизирован
ной системы управления техноло
rическим процессом (АСУ ТП)
энерreтическоro объекта являются
оконечными устройствами сбора
информации, т. е. терминалами. В
интеrpированных цифровых KOM
плексах РЗА появляется возмож
ность перехода к новым нетради
ционным измерительным преобра
зователям тока и напряжения на
основе оптоэлеюронных датчиков,
трансформаторов без ферромаr
нитных сердечников и т. д. Эти
преобразователи технолоrичнее
при производстве, обладают очень
высокими метролоrическими xa
рактеристиками, но, к сожалению,
имеют малую выхдную мощность
И неприroдныI для работы с тради
ционной аппаратурой.
В России появилось MHOro ycт
ройств Р3А разных изroтoвителей.
В такой сmyaции сложно ориенти
роваться при выборе нужной про
дукции. Техническая дoкyмeнтa
ция фирм либо носит рекламный
характер, либо является очень по
дробной и требует большоro BpeMe
ни для ознакомления.
В данной брошюре сделана по
пытка обобщить различныIe cвeдe
ния по цифровым устройствам РЗА
путем рассмотрения общих вопро
сов поcrpoeния аппаратной части.
Представляется, что эти сведения
будут полезны специалистам ре
лейщикам при решении вопросов,
связaнных с внедрением цифровых
устройств, позволят реально oцe
нивать их возможности, преиму
щества и недостатки.
Автор и редакция журнала
"Энерremк" будут признательны
читателям за замечания и пожела
ния. Просим направлять их по aд
ресу: 109280, Москва, ул. АВ'roза
водская, 14/23.
3
1 . Аппаратная часть цифровых
устройств защиты и автоматики
1.1. CfPУКТУРНАЯ СХЕМА
ЦИФРОВОro УCfPОЙСТВА
ЗАЩИТЫ
Цифровые устройcrвa РЗ раз
личноro назначения имеют мноro
общеro, а их СТРУК1УРные схемы
очень похожи и подобны пред
стааленной на рис. 1.1. Центра.ль--
ным узлом ци«Woвоro устройcrвa
является микроЭВМ, кoroрая че
рез свои устройcrвa Bвoдa BЫВOдa
обменивается информацией с пе
риферийными узлами. С помощью
ЭТИХ дополнительных узлов ocy
ществляется сопряжение микро
ЭВМ (микропроцессора) с внеш
ней средой: датчиками исходной
информации, объектом управле
ния, оператором и Т. д.
Следует отмeтиrь, что в реаль
ном устройcrвe РЗ может исполь
ЗОБаThCЯ несколько микропроцес
соров (МП), каждый из которых
будет занят решением отдельноro
фparменra общей задачи с целью
обеспечения BbICOKOro быстродей
CIВия. Например, в сложных РЗ
используются 7 1O МП, работа
ющих параллельно.
2208
+
I
US ';;;: =
иl
4
Рис. 1.1. Crpyкrypиaя схема цифровоro устройства 38IIUП'Ь1
Непременными узлами циф
poBoro устройства РЗА являются:
входные Ul U4 и выходные
КLl КЦ преобразователи сиrна
лов, тракт аналоrо цифровоrо
преобразования иб, u7, кнопки
управления и ввода инФормации
от оператора SBl, SB2, дисплей Н
для отображения инФормации и
блок питания и5. Современные
цифровые устройства, как прави
ло, оснащаются и коммуникаци
онным портом Хl для связи с дpy
rими устройствами.
Основные функции выше
перечисленных узлов следующие.
Входные преобразователи 06ec
печивают rальваническую развяз
ку внеlШIИХ цепей от внyrpeнних
цепей устройства. OДНOBpeMeH
но, входные преобразователи
осуществляют приведение KOH
тролируемых сиrналов к единому
виду (как правило, к напряже
нию) и нормированному уровню.
Здесь же осуществляется предва
рителъная частотная фильтрация
входных сиrналов перед их aнa
лоrо цифровым преобразовани
ем. Одновременно принимаются
меры по защите внyrpeнних эле
ментов устройства от ВОЗдействия
помех и перенапряжений. Разли
чают преобразователи аНШlOzовые
(из, и4) и лоzические (Ul, и2)
входных сиrналов. Первые cтpe
мятся выполнить так, чтобы
обеспечить линейную (или нели
нейную, но с известным законом)
передачу контролируемоrо сиrнa
ла во всем диапазоне ero измене
ния. Преобразошrreли лоrических
сиrналов, наоборот, стремятся
сделать чувствительными только
к узкой области диапазона воз
можноrо нахОЖдения контроли
pyeMoro сиrнала.
Выходные релейные npeoбразо
ватели. Воздействия реле на за
щищаемый объект традиционно
осуществляется в виде дискрет
HblX сиrналов управления. При
этом выхдныыe цепи устройства
защитыI выполняются так, чтобы
обеспечить rальваническую раз
вязку коммутируемъlX цепей как
меЖдУ собой, так и относительно
вНутреННИХ цепей устройства РЗ.
выхдныыe прео6разователи долж
ны обладать соответствующей
коммутационной способностью
и, в общем случае, обеспечивать
видимый разрьm коммутируемой
цепи.
Тракт аналоro цифровоro пре
образования включает мулътип
лексор иб и собственно аналоrо
цифровой преобразователь
(АЦП) u7. Мультиплексор
это электронный коммутатор, по
очередно подающий контроли
руемые сиrналы на вход АЦП.
Применение мультиплексора по
зволяет использовать один АЦП
(как правило дороrостоящий)
для нескольких каналов. В АЦП
осуществляется преобразование
мrновенноrо значения входноrо
сиrнала в пропорциональное ему
цифровое значение. Преобразо
вания выполняются с заданной
периодичностью. В последующем
в микроЭВМ по этим выборкам
из BXOДНbIX сиrналов рассчитъmа
ются интеrральные параметры
контролируемых сиrналов их
амплитудные или действуюшие
значения.
Блок питания (Бп) и5
обеспечивает стабилизирован
ным напряжением все узлы pac
сматриваемоrо устройства, неза
висимо от возможнъlX изменений
напряжения в питающей сети.
5
Блоки питания мноrиx COBpeMeH
ных реле MOIyr работать и с сетя
ми переменноro и постоянноrо
тока. Как правило, в БП форми
руется и ряд дополнительных
сиrналов, исключающих непра
вильную работу ЭВМ и HeKOТO
рых друrих электронных узлов
устройства в момент появления и
исчезновения напряжения пита
ния.
Дисплей и клзвиа'IYPа являют
ся непременными атрибутами
любоrо цифровоrо устройства,
позволяя оператору получить ин
формацию от устройства, изме
нятьрежимеroраOOThI,оооДИТЬ
новую информацию. Надо oтмe
ТИТЬ, что дисплей Н и клавиатура
SBl, SB2 в цифровых реле, как
правило, реализуются в макси
мально упрощенном виде: дис
плей цифробуквенньrn, н
(или несколько )строчньrn; кла
виатура несколько кнопок.
Порт связи с внешними цифро
выми устройС1В3.МИ. Достоинcrвoм
цифровых устройств является ВОЗ
можность передачи имеющейся
информации в дрyrие цифровые
системы: АСУ ТП, персональньrn
компьютер и т. д., что позволяет
интеrpировать различные систе
мы, экономя на каналах связи,
затратах на предварительную об
работку сиrналов и т. п. Koммy
никационньrn порт необходи
мьrn элемент для дистанционной
работы с дaнным устройством.
Наряду с ВЬШlеперечисленны
ми в цифровых устройствах, в
общем случае, MOIyr встретиться
и дрyrие узлы, например, цифро
аналоrовые преобразователи при
формировании аналоroвых сиr
налов управления и реryлирова
ния. Характеристики однотип
6
ных узлов В устройствах различ
ных изrотовителей оказываются
весьма близкими. Причиной этоrо
является необходимость реализа
ции одних и тех же исходных тpe
бований, ориентация схемных
решений на одни и те же реаль
ные входные сиrналы, получае
мыIe от стацдартпых трансформа
торов тока (ТТ) и напряжения
(ТН), и объективные законы, по
которым должна вестись обра
ботка информации. Рассмотрим
возможные вариаюы исполнения
узлов цифровоro устройства рз.
1.2. уcrroйcmо МИКРОЭВМ
Практически вся обработка
информации в цифровом реле
осуществляется внутри микро
ЭВМ по определенному алroрит
МУ, реализованному в виде про
rpaммыI paOOThI этой ЭВМ.
ДЛЯ облеrчения пони мания
принципов работы цифровых
устройств РЗА необходимо иметь
хотя бы общее представление об
устройстве и функционировании
ЭВМ. Рассмотрим структурную
схему микроЭВМ, представлен
ную на рис. 1.2.
Центральньrn управляющий и
решающий блок микроЭВМ Ha
зывается центральным процес
сорным устройством (Central
Processing Unit CPU) или просто
процессором. Бурное развитие
микроЭВМ началось после ис
полнения этоro узла в виде интеr
ральной микросхемыI (ИМС), что
дало повод называть такую ИМС
микропроцессором. Как видно из
структурной схемы микроЭВМ
МП в качестве самостоятельноrо
узла не применяется.
'I,нтраЛ/lНtJ'
пptJ"'t:t:'!I'NtJ
j/t:",ptJut:m6tJ
НИНрtJ 3ВМ
ША
ША
Ш9
Рис. 1.2. Crpyкrypная схема мшqюЭВМ
для ею работы требуется внеш
нее запоминающее устройcrвo, rде
хранится проrpамма (последова
тельность комацд), которую необ
ходимо вьПIОЛНИТЬ.
В устройствах, работающих по
жесткой проrpамме, какими и яв
ляются реле защиты, проrpамма
записывается в постоянном запо
минающемся устройстве (ПЗУ).
Для хранения переменных и
промежyrочных результатов BЫ
числений (данных) при меняется
оперативное запоминающее ycт
ройство (ОЗУ).
Обмен информацией с внеш
ним оборудованием осуществля
ется с помощью устройств Bвoдa
вьшода.
Любая информация в ЭВМ
предстаR1IЯется в виде чисел (чис
ловых кодов). Обмен информа
цией меЖдУ узлами микроЭВМ
осуществляется с помощью шин,
т. е. системы электрических
линий. Шины различаются по
функциям: шина пересьтки дaH
ных IJЩ, шина адреса ША, шина
передачи комацд управления ШУ.
Например, при чтении данных из
устройства ввода вьшода (УВВ) в
процессор последний выстаR1IЯет
на ША адрес УВВ, а на ШУ сиr
налы, предписьmающие УВВ BЫ
дать данные на IJЩ. В результате
этою на шине данных ПОЯR1IЯется
число, которое бьuю в УВВ в MO
мент обращения. При передаче
информации используется ДBO
ичная система счисления, тpe
бующая для отображения чисел
использования только двух сим
волов О И 1, что делает наиболее
простой реализацию узлов ЭВМ
на основе электрических схем.
Скорость раБотыI микроЭВМ
существенно зависит от разряд
ности чисел, передаваемых по
шинам от узла к узлу. Это опреде
ляется разрядностью шины дaH
HbIX. Первые микроЭВМ работа
ли с четырехразрядными числа
ми, современные с 16 и 32
разрЯдНыми машинными слова
ми. Время выполнения комацды
определяется тактовой частотой
задающеrо reHepaTopa и зависит
от быстродействия применяемых
ИМС, что в свою очередь опреде
ляется технолоrией их изrОТОRЛе
ния. Сеrодня электронной про
мышленностью предлаrаются дe
сятки разновидностей МП, и они
непрерывно совершенствуются.
7
По этой причине происходит пе
риодическое обновление аппа
ратной базы и в цифровых ycт
ройствах РЗА
1.3. ВХОДНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТFЛИ
AНAJIОrОВЫХ CИПIAJIОВ
Сиrналы, контролируемые
устройствами РЗА, имеют в
общем случае разную физичес
кую природу токи, напряже
ния, температура и т. д. Чаще
Bcero устройства РЗ работают с
сиrналами от источников пере
MeHHoro тока и напряжения, с
традиционными номинальными
уровнями: lА, 5А, lOOB. Такие
уровни сиrналов обеспечивают
необходимую помехозащищен
ность, но совершенно неприем
лемы для обработки в элекrpoн
ных схемах. Использование же
датчиков с выходными сиrнала
ми, соrласованными с требова
ниями элекrpoники, наталкива
ются на необходимость либо
резко оrpаничить длину линий
связи, размещая устройства вбли
зи датчиков информации, либо
применять дополнительные меры
по их защите от помех, такие как,
экранирование, что весьма дopo
ro. На первых этапах перехода от
элекrpoмеханических систем за
щиты к элекrpoнным использо
вание нетрадиционных измери
тельных датчиков затруднительно
также по причине отсyrствия
полной номенкла1УРЫ приборов
и устройств С малым потребле
нием. По этой же причине не по
лучают должноrо распростране
ния в энерrетике оптикоэлек
тронные П, имеющие ряд ДOCTO
8
ИНСТВ, но очень малую выходную
мощность.
При подключении микропро
цессорных устройств к традици
oнным датчикам тока и напряже
ния требуется приведение их сиr
налов к единому виду и диапазо
ну изменения, приемлемому для
обработки элекrpoнными узлами.
Наиболее часто входные co
rласующие преобразователи циф.-
ровых устройств вьmолняются на
базе обычных элекrpoмаrнитных
трансформаторов с ферромаrнит
Hым сердечником. Несмотря на
то, что такие трансформаторы
имеют нелинейныIe передаточныIe
характеристики, определенный
разброс параметров, некоторую
нестабильность во времени и при
изменении темпера1УРЫ, они все
же приемлемы для построения
устройств РЗ, допускающих рабо
ту с поrpeшностью 2 5 %.
В трансформаторных преоб
разователях (рис. 1.3) основное
внимание уделяется снижению
меЖдУобмоточной емкости, по
которой возможно попадание
импульсных помех BHyrpb YCT
ройства. С этой целью секциони
руют вторичную обмотку или по
мещают меЖдУ первичной и втo
ричной обмотками электростати
ческий экран. Ввиду очень мало
ro потребления мощности после
дующими элекrpoнными узлами,
преобразование токовых сиrна
лов в напряжение осуществляют
простейшим способом с ис
пользованием шунтов R для за
щиты элекrpoнных узлов от воз
можных перенапряжений широ
ко применяют варисторы RV
(или стабилитроны) и фильтры
нижних частот, например, на oc
нове RС цепей. Эффективность
TAL R ф
IB lf ffV U K
1
':' а)
TVL
иf)11 ff.
.!
R ф
t l
5)
. Рис. 1.3. Входные преобразовате.ли на основе пpoмeжyroчныx трансформаторов
фильтра нижних частот обьясня
ется тем, что энерrия импульсной
помехи сосредоточена в BЫCOKO
частотной части спектра. Оrpани
чение полосы пропускания тpaK
та в области высоких частот необ
ходимо и для правильной работы
аналоrо цифровоrо преобразова
теля, независимо от Toro, будет
ли в последующем применяться
цифровая фильтрация сиrналов
или нет.
В отдельных цифровых YCT
ройствах входные преобразовате
ли выполняются на основе так
назьшаемых активных трансфОJr
маторов. Эти преобразователи
известны и как преобразователи с
датчиками Холла. На рис. 1.4
представлена схема TaKoro пре
разователя.
Датчик Холла из за ero темпе
ратурной нестабильности крайне
2
i,Wl jZ Wz
сложно использовать непосредст
венно для измерения маrнитноrо
потока. Однако, использовать ero
в качестве нуль индикатора
можно. Это и делается в данном
преобразователе, rде усилитель
DA rенерирует во вторичную об
мотку трансформатора такой ток,
чтобы выполнялось равенство
МДС обмоток. Класс точности
таких преобразователей достиrает
0,1, что с запасом удовлетворяет
требованиям релейной заIl.01ТЫ.
В последнее время, в связи с
появлением электронных YCT
ройств со сверхмалым потребле
нием, возрос интереС к датчикам
тока типа "ка1)'ШКа POroBCKOro"
(рис. 1.5).
Измерительная катушка Po
rOBcKoro не имеет ферромarнит
Horo сердечника и располаrается
вoкpyr проводника с контролиру
и I,R
R
рис 1.4. Входной преобразователь с да1'lИКОМ Холла:
1 мarниroпровод; 2 датчик Холла; 3 усиmпeль
9
и(е!
Рис. 1.5. Да1'lИК тока nma "катушка Poroв
схoro":
1 катушка POroВCKoro; 2 проводник с
ТОКОМ
емым током i (1). Маrнитное поле
проводника с током индуцирует в
катушке ЭДС в соответствии со
следующим выражением:
U(1)== JlOпS [i(t)] ,
rде Jlo маrнитная проницае
мость окружающей среды; п
плomость намorки ка1)'ШКИ (чис
ло витков на единицу длины);
S площадь витка катушки.
Обратим внимание на то об
стоятельство, что ЭДС катушки
является производной от тока.
Поэтому для получения сиrнала,
пропорциональноrо току, необ
ходимо вьmолнить интеrpирова
ние выходноro напряжения кa
тушки. При синусоидальном токе
i (t) == 1т sin (Ш 1) ИlЩ)'Цируемая в
катушке эдс будет синусоидаль
ной, но сдвинутой по фазе на 900,
а ее действующее значение опре
делится выражением:
U==JloпSm 1т.
Отсутствие в катушке нели
нейноro ферромаrнитноrо cep
10
дечника обеспечивает малую по
rрешность преобразования (в
лучших образцах не более
0,1 %) в очень широком диапазо
не изменения контролируемых
токов (от нуля ДО сотен килоам
пер). С помощью катушки PoroB
cKoro можно измерять токи в
диапазоне частот от 0,1 rU до
1 мrц. Основным недостатком
катушки PoroBcKoro является
очень малая отдаваемая мощ
насть и низкий уровень BЫXOДНO
ro сиrнала. Однако, несмотря на
этот недостаток, датчики тока
типа катушки PoroBcKoro уже Ha
чали широко при меняться на
практике.
1.4. ТРАКТ
АНАJIOrо ци:ФРовоrо
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Практически все реально cy
ществующие физические явле
ния и процессы описываются
аналоrовыми сиrналами. Анало
rовый сиrнал непрерывно изме
няется во времени и может при
нимать любые значения в HeKO
тором диапазоне, определяемом
природой физической величины.
ДИскретный (цифровой) сиr
нал, в отличие от аналоrовоro,
может принимать лишь конечное
множество значений и определен
лишь для конкретных моментов
времени.
Процесс перехода от аналоrо
вoro сиrнала к дискретному назы
вается дискретизацией или Kвaн
тoвaнueм сиrнала, а устройства,
вьmолняющие Э1У операцию, Ha
зываются аналоrо цифровыми
прео6разователями (АЦП). Пере
ход от непрерывноro сиrнала к
дискретному Bcerдa происходит с
потерей HeKoToporo количества
информации. Конечное число
rрадаций дискретноrо сиrнала
обусламивает поrpeшностъ квaH
тования по уровню, а одной из
причин необходимости квaНТOBa
ния по времени является то, что и
сам процесс аналоrо цифровоrо
преобразования, и последующий
ЦИКЛ вычислений в микроЭВМ
требует определенноrо времени,
по истечении KOТOporo можно дe
лать новую выборку из входноro
сиrнала (рис. 1.6).
Характеризуя AUП, roворят о
ero разрядности и интервале дис
кретизации сиrнала по времени
/).t или частоте выборок fв ==
== 1/ /),t, или, если речь идет о пе
риодических сиrналах с перио
дом Т, о количестве выборок за
период N == fв т.
Для периодических сиrналов
существует взаимосвязь между
верхней частотой преобразуемо
ro сиrнала и необходимым коли
чеством выборок. В трудах зару
бежных и отечественных ученых
(К Шеннон, В.А Котельников)
еще в ЗО х rодах было показано,
что для точноro восстаномения
первоначальноrо сиrнала из ero
х
ХО
Рис. 1.6. Аналою-цифровое преобразоВ3lUlе
сиmaлa
t
дискретноrо предстамения час
тота выборок должна по крайней
мере вдвое преВЬШlать самую BЫ
сокочастотную rармоническую
состаRЛЯЮlЦYЮ входноrо сиrнала,
т. е. [1]:
/в 2fтax или N 2fтax т.
Более TOro, при аналоro циф
ровом преобразовании из вxoд
Horo сиrнала должны быть ис
ключены все rармоники с часто
той, более высокой, чем частота
квантования. В противном слу
чае, при восстаномении сиrнала
появляется разностная COCTaB
ляющая низкой частоты, поэтому
на входе АЦП всеrда устанами
вают аналоrовый фильтр нижних
частот с полосой пропускания не
более fв .
В устройствах РЗА применяют
АЦП с частотой выборок от 600
до 2000 [ц. Более высокая часто
та выборок используется в том
случае, коrда устройство защиты
обеспечивает еще и осциллоrpа
фирование аварийноrо процесса.
Цифровое устройство с частотой
выборок 2000 [ц эквивалентно
осциллоrpафу с полосой пропус
кания 0 1000 [ц. Для cpaBHe
ния отметим, что запись звука на
компакт дисках осущесТRЛЯется с
частотой дискретизации около
44 кfц, что обеспечивает качест
венное воспроизведение фоно
rpaMM, включая частоты свыше
20 кfц.
Второй важной характерис
тикой АЦП является разрядность
р формируемоrо им двоичноrо
числа. Для тoro, чтобы выяснить
каким должно бьпь значение р,
рассмотрим работу АЦП как He
Koero "черноro ящика" (рис. 1.7),
на вход Koтoporo поступает aHa
11
t
АЦn
20 O }
х n 21 = 1 p-fI.
22= 1
# 2 J = 1
XтUJ(
т
'1
т-2 Р
Х J
2
1
Рис. 1. Z К пояснению pa3pJWlOC'l1l АЦП
лоrовый сиrнал Х, а на ero циф
ровых выходах ПОЯWIЯется экви
валентное число в ВИде двоичных
сиrналов с двумя возможными
уровнями, условно обозначаемы
ми как О и 1. Кстати, представле
ние числа напряжениями или
током только двух уровней и дe
лает предпочтительней двоичную
систему счисления.
Существует однозначная связь
ме:жцу разрЯдностью АЦП и точ
ностью измерения аналоrовой Be
личины. Например, в двухразряд
ном АЦП на ero двух выходах
возможно формирование только
четырех независимых числовых
комбинаций: 00, 01, 10 и 11. Эrи
числа можно интерпретировать
как нахОЖдение входноrо анало
roBoro сиrнала в одном из четыI
рех поддиапазонов, оrpаничен
ных O Xтax. В случае р разряд
HOro АЦП возможно ОТОЖдест
вление нахождения входноrо
сиrнала в любом из т == 'lP под
диапазонов. При этом ступенька
квантования при определении
уровня сиrнала составит Х тах / 2Р.
В энерrетике из всех величин в
наиболее широком диапазоне из
меняется ток. Ток при нормаль
ном режиме работыI электроуста
12
новки находится в пределах o
L м' а в аварийных достиrает
(\О + ЗО)/mм. Для преобразо
вания с поrpешностью не более
2 5 % требуемое число ступеней
квантования т должно быть
2000 + 4000, т. е. требуется АЦП с
р== 11 + 12.
1.5. ВХОДНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВА1ЕЛИ
ДИСКРЕIНЫХ СИI1IAЛОВ
Практически во всей COBpe
менной электронной аппаратуре
ввод дискретных сиrналов ocy
щеCТWIЯется через преобразовате
ли на основе OIпронов. Следует
отметить, что схемы реальных
преобразователей roраздо слож
нее, чем схемы, приведенные на
рис. 1.8.
Оптроны даже разных изrото
вителей имеют весьма близкие
характеристики. Так, собствен
ное время переключения у оптро
нов состаWIЯет доли микросекун
ды. для оптопары (светодиод фо
топриемник) характерна малая
проходная емкость, что препятст
вует проникновению помех по
этому пути. Допустимое напря
жение ме:жцу цепью управления и
элементами управляемой цепи
+ Е п
"'- "" """"1 I
I I
In ,* с
I I
S2 I I
I I НВ
а}
+
ив ых
Рис. 1.8. Вариamы ввода дискретною сlП1l3Jl3
достиrает нескольких киловольт,
а рабочий ток светодиода VD co
ставляет3 5мА.
Малый входной ток оптрона с
одной стороны является блаrом,
так как при водит к снижению
мощности, потребляемой преоб
разователем, решает nроблему
рассеивания тепла резистора
и уменьшает наrpузку на управ
ляющий контакт S2 (рис. 1.8, а).
Но с дрyrой CТOpoНbI, малый pa
бочий ток оптрона приводит к
ряду проблем.
В первую очередь, малый
входной ток обуславливает низ
кую помехозащищенность преоб
разователя. Например, при нали
чии протяженноrо проводника,
связывающеrо управляющий
ключ S2 с оптроном, возможно
ложное срабатьmание при переза
рядке паразитной емкости С в
момент замыкания ключа Sl в
сторонней цепи. Чтобы исклю
чить ложную работу устройства
РЗ в такой СИ1уации, на выходе
преобразователя устанавливают
элемент задержки DТ(рис. 1.8, б)
с фиксированной или реryлируе
мой задержкой в формировании
выходноrо сиrнала. Для Toro,
чтобы отстроиться от переходных
процессов, обычно достаточно
задержки O,5 3 мс.
Устройства с малым потребле
нием MOryr реarировать на замы
кания на землю в сети оператив
Horo тока, так как их входной ток
соизмерим с током цепи KOнтpO
ля изоляции сети оперативноrо
тока. для исключения этоrо BXOk
Нble цепи измерительноrо преоб
разователя Е выполняют с при
вязкой к потенuиалам полюсов
сети оперативноrо тока и подни
мают пороr переключения преоб
разователя Е до уровня 60 80 %
номинальноrо напряжения сети.
1.6. ВЫХОДНЫЕ РFЛEЙНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Несмотря на очевидные дo
стижения в области высоких по
тенuиалов и сильных токов в
цифровых реле, в большинстве
случаев по прежнему использу
ются промежуточные электро
мarнитныIe реле. Контактная пара
пока еще остается вне KOHкypeH
ции как единственное устройст
во, обеспечивающее видимый
разрыв в коммутируемой uепи. К
тому же это и самое дешевое pe
шение. Как правило, в цифровых
устройствах РЗ применяются He
сколько типов малоrабаритных
13
реле: с большей коммyrационной
способностью для работы He
посредственно в цепях упраме
ния выключателей, с меньшей
для работы в цепях сиrнализа
ции. Мощные реле способны
включать цепи с током примерно
5 30 А, но их отключающая спо
собность обычно не превосходит
1 А при напряжении 220 В. Таким
образом, схема упрамения долж
на предусматривать прерывание
тока в цепи электромаrнита BЫ
ключателя ero вспомоrательным
контактом. Отключающая спо
собность сиrнальных реле обыч
но не преВЬШJaет 0,15 А в цепях
постоянноrо тока напряжением
220В.
1.7. CPEДCfВA ОТОБРАЖЕНИЯ
ИНФОРМАЦИИ В ЦИФРОВЫХ
РЕЛЕ
Сразу же отметим, что требо
вания к средствам визуальноrо
отображения информации весьма
противоречивы. Это является
причиной БОЛЫllоrо мноrообра
зия в части дизайна лицевых па
нелей цифровых устройств Рз.
для отображения информации в
реле используются и отдельные
светодиодные индикаторы, и
табло, и даже rpафические экра
ны. для простоты будем называть
совокупность элементов визуаль
Horo отображения информации в
реле дисплеем.
Оч:евIЩНО, что дисплей не дол
жен быrь дороrим, так как "обще
ние" человека с реле происходит
крайне редко. Дисплей реле дол
жен обеспечивать быстрое и oднo
значное предстамение информа
ции. Наилучшим образом этим
требованиям удометворяют пp<r
14
cТbIe дисплеи в виде светодиод
ньух иццикаторов. С дрyrой CTO
роны, цифровое устройство за
щитыI это устройство, которое
способно предоставить оператору
очень большой объем информа
ции: текущие значения токов и
напряжений электроустановки,
их аварийныIe значения, уставки
(а их в цифровых реле может
быть несколько наборов), состоя
ние входов и вьуходов упрамения
и т. д. Для оперативноrо полу
чения тaKoro объема информа
ции требуются соответственно и
более информативныIe дисплеи.
На рис. 1.9 предстаменыI HeKOТO
рые варианты вьmолнения дис
плеев устройств Рз.
В комплекrных устройствах за
щитыI типа SPAC800 (рис. 1.9, а)
отдельный светодиодный инди
катор (или крайний левый разрsщ
цифровоrо светодиодноrо табло)
указывает на отображаемый па
раметр, а численное значение
этоrо параметра вьmодится в трех
правых разрющх цифровоrо таб
ло. Светодиодный дисплей xopo
шо заметен, особенно в условиях
малой внешней освещенности.
В некоторых устройствах при
меняются цифро 6уквенные мнo
rocтpoчные табло (рис. 1.9, 6), что
обеспечивает удобство считьmа
ния информации. Такие табло
выполняются на основе жидко
кристаллических индикаторов
(ЖКИ). основными HeДOCTaткa
ми ЖКИ дисплеев являются oт
носительно низкая KOHTpaCT
ность изображения и неработо
способность при низких темпе
рюурах. Однако, невысокая CTO
имость и леrкость управления
жки способствует их широкому
применению, в том числе и в РЗ.
I ВОВЕ I
о /a/1n
jf- /b/Zn
Ь' Ic/1n
так фаз А 2'16 кА
так ф1l361 8 21'2кА
ТОК ф036/ С 2'17кА
Q
ТА2
;ТllfJjS 21'! кА
а)
6)
6)
Рис. 1.9. Вapнamы ДIICШJeeв цифровых УC'J1!OЙC11l зaIIDПЫ
Наиболее нarJЩЦНО информа
ция предстааляется на rpафичес
ком дисплее, что в какой то мере
демонстрирует рис. 1.9, в.
Следует сказать несколько
слов о представлении числовых
данных в устройствах РЗ. Цифро
вые реле имеют поrpelШIОСТЬ 2
5 %. С учетом этой поrpelШIости
и выполняются дисплеи цифро
вых реле с возможностью oтo
бражения лишь трех значаших
цифр. В цифровых реле исполь
зуются в основном два способа
представления величин в име
нованных единицах (вольтах, aM
перах, rpaдycax и т. д.) И В относи
тельных. Оперативному персона
лу удобнее работать с именован
ными величинами, отражающи
ми реальные значения токов, Ha
пряжений и дрyrих параметров
электроустановки. Но это требует
занесения дополнительной ин
формации в реле коэффициен
тов трансформации измеритель
ных трансформаторов, а на дис
плей необходимо дополнительно
выводить размерность отобра
жаемой величины. Альтернатив
ным решением является пред
ставление всех величин в относи
тельных единицах или процентах.
Чаще Bcero за базисные единицы
принимают номинальные значе
ния контролируемых величин.
В заключение отметим, что
в последнее время применение
реле сложноrо дисплея становит
ся менее аК1Уальным. COBpeMeH
ные цифровые реле, как правило,
предусматривают подключение к
ЭВМ, и вся необходимая инфор
мация может в любой удобной
форме бьnъ представлена на при
вычном дисплее ЭВМ.
1.8. OprAHbI МЕспюrо
УПРARЛEНИЯ рЕЛЕ
Кнопки управления или кла
виатура яаляются неотьемлемы
ми элементами связи человека с
цифровым устройством. С помо
щью клавиатуры можно изменить
режим работы устройства, BЫ
звать на дисплей интересующие
параметры и величины, ввести
новые уставки и т. д.
Число кнопок, используемых
в клавиатурах различных YCT
ройств РЗ, варьируются от двух
до десяти. Чем больше кнопок в
клавиатуре, тем удобнее и бы
стрее можно вводить информа
uию в устройство. Однако, кноп
ки являются наиболее ненадеж
ными элементами цифровой ап
паратуры. Поэтому там, rдe поль
зоваться клавиатурой приходится
крайне редко, стремятся исполь
зовать минимальное число кнo
пок. Минимальное число Кнопок
клавиатуры, позволяющее BBO
дить любую информацию, равно
двум.
15
t < 0,5& r::::l t>o.. 5&
41 .
i а (1J
} Ь(М) jb(п 2) i Ь(1)
1 j c (п 7} ..J i C(п Z' -+I i C (1J I
Рис. 1.10. Поиск информации в lI3МJП1I реле
Работу с двухкнопочной кла
виатурой можно ассоциировать с
продвижением по кpyry из неких
параметров, управляя движением
одной из кнопок, и выбором ис
KOMOro параметра с помощью
дрyrой кнопки. В некоторых реле
состояния, доступные с помо
щью кнопок управления, пред
ставляются двухмерным масси
вом. Продвижение по координа
там массива осуществляется co
ответствующими кнопками, а
выбор элемента массива произ
водится одновременным нажати
ем двух кнопок. Поясняет этот
принцип рис. 1.10, rде в качестве
примера рассматривается про
цесс поиска информации о фаз
ных токах, которые фиксирова
лись в памяти защиты в момент
срабатывания. Предполаrается,
что в памяти данноrо устройства
хранится информация по n пос
ледним собьпиям, причем пос
леднее событие имеет номер n.
При нажатии кнопки Sl про
исходит перемещение по верти
кали (меЖдУ фазными токами), а
при нажатии кнопки S2 по ro
ризонтали (между значениями
выбранноrо тока для разных MO
ментов времени). Манипулируя
16
длительностью нажатия кнопок,
можно обеспечить продвижение
в прямом и обратном направле
ниях. Например, при нажатии
кнопки на время менее 0,5 с про
исходит движение назад; при нa
жатии кнопки в течение 0,5 1 с
происходит движение вперед, а
при удержании кнопки в нажа
том состоянии автоматический
переход от одной позиции меню
к дрyrой (так называемая про
крутка).
1.9. ХРАНЕlШE ИНФОРМАЦИИ
В ЦИФРОВЫХУCfPОЙcrвАХ
Одним из важнейших узлов
цифровых реле являются устрой
ства хранения информации. В
настоящее время используются
различные типы устройств для
хранения информации. Сразу же
исключим из рассмотрения YCT
ройства С использованием элек
тромеханических узлов (напри
мер, с записью информации на
маrнитных дисках), как требую
щие постоянноrо ухода и имею
щие оrpаниченный ресурс. В ап
паратуре РЗl\, рассчитанной на
большие сроки эксплуатации с
минимальными затратами на об
служивание, должны использо
ваться узлы без движущихся час
тей.
В функциональном отноше
нии все статические зanоминаю
щие устройства подразделяются
на ПЗУ, ОЗУ и ЭППЗУ. PaCCMOT
рим их подробнее.
){ЛЯ хранения рабочей про
rpaMMbI в устройствах защиты
обычно используются постоянные
запоминающие ycтpoйcтвa
ПЗУ. Orличительной чертой ПЗУ
ЯШIЯется однократная запись ин
формации. В последующем воз
можно только считьшание запи
санной информации. Orсюда и
происходит aнrлоязычное назва
ние эroro типа памяти ROM (Read
Оn1у Memory только считьmае
мая память). Достоинством мик
росхем ПЗУ является их низкая
стоимость и возможность xpaHe
ния информации при отключе
нии питания.
В последнее время все шире
начинают применяться так назы
ваемые перепроrраммируемые
устройства памяти. Особенно
они актуальны для устройств за
щитыI' рабочая проrpамма KOTO
рых должна изменяться в процес
се эксплуатации. В настоящее
время сушествyюr устройства РЗА,
в которых нужные функции за
щитыI выбираются из библиотеки
стандартных функций самим
пользователем. Лоrическая часть
этих устройств РЗА создается
пользователем из базовых лоrи
ческих функций типа И, ИЛИ,
тРиrrЕР и т. д. Рабочая про
rpaMмa в таких устройствах защи
ты располаrается в пepeпpo2paм
мируемом постоянном запоминаю
щем устройстве (ППЗУ или
EEPROM Electrica1 ЕrзsaЫе Pro
grammable Read Опlу Memory
электрически перезаписываемая
постоянная память). Подчерк
нем, что ППЗУ является энерrо
независимой памятью, т. е. xpa
нимая в ней информация не раз
рушается в обесточенном состоя
нии.
){ля времеННоrо хранения pe
зультатов промежyroчных вычис
лений используются оперативные
запоминающие устройства (ОЗУ
или иначе RAМ Raпdоm Access
Memory память с произволь
ным доступом). Запись и считыI
ванне данных в ОЗУ осуществля
ется с максимальной скоростью.
Существенным недостатком ОЗУ
является разрушение информа
ции при отключении питания.
Orдельноrо упоминания тpe
бует вопрос хранения уставок и
дрyrиx параметров, которые при
ходится изменять в процессе экс
плуатации защитыI. В настоящее
время для этой цели используют
ся ППЗУ, допускающие MHoro
кратное изменение уставок. До
появления этих микросхем yc
тавки хранились либо в аналоro
вом виде, как некое реryлируе
мое опорное напряжение И УСТ
(рис. 1.11, а), либо в ОЗУ с неза
висимым источником питания
(рис. 1.11,6).
Хранение информации в виде
потенциала, снимаемоrо с pery
лируемоrо делителя напряжения
и затем считывемоrоo через тракт
аналоro цифровоro преобразо
вания цифровоro устройства
одно из ранних решений. OCHOB
ной недостаток этоrо способа
не возможность дистанционноrо
изменения уставки, что стало
актуальным при работе реле в
составе АСУ ТП. Поэтому про
межуточным решением задачи
17
и АЦn
н QJи. :
а}
УО1 VD2
[;J J.
6п 03fI i G
6}
ОсноВнои
массиВ
7101
1001
101.
0010
Рl'зеРВН61U
массиВ
nерt'заЛVС6
......
1101
1001
1011
0010
КС: 1010
В)
КС:
РиС. 1.11. Способы хранеlПfJl уставок
стало хранение уставок в ОЗУ,
имеющем резервное питание от
встроенноrо в и:щелие источника
G. В таких устройствах применя
ют специальные малопотребляю
щие им С и литиевые батареи,
имеющие срок службы 5......б лет.
Недостаток очевиден необхо
дим периодический контроль и
своевременная замена источника
питания.
Как и любое дрyrое и:щелие,
устройства памяти MOryr повреж
даться или терять информацию,
например, под во:щействием ио
низирующих излучений. для o
наружения этоrо применяются
следующие способы.
В ПЗУ, rдe данные размеща
ются в ячейках памяти, после
довательно вьmолняют формаль
ное суммирование всех чисел
этоrо массива данных, а резуль
тат (контрольную сумму) поме
щают в определенную ячейку. В
режиме тестовой проверки ПЗУ
компьютер рассматривает ero как
объект исследования, вьmолняет
подсчет суммы фактических чисел,
хранящихся в ячейках, и сравнива
ет с контрольной суммой.
18
При проверке ОЗУ в ero ячей
ки поочередно записывают нули
и единицы, а затем анализируют
получающиеся при считывании
результаты.
В устройствах с ЕЕРRОМ па
мятью имеется возможность даже
восстанавливать утерянную ин
формацию. для этоrо важнейшие
массивы информации, например,
уставки, дублируются в разных
микросхемах памяти. Так как
одновременное поврежu.ение ин
формации в двух микросхемах
маловероятно, то имеется воз
можность восстановить инфОIr
мацию перезаписью содержимоrо
неповрежденноrо массива на
место поврежu.енноrо. Схематич
но это показано на рис. 1.11, 8.
1.10. БЛОК ПИТАНИЯ
Практически во всех COBpe
менных устройствах используют
ся импульсные блоки питания,
вьmолняемые на базе высокочас
тотных инверторов. Схематично
такой БП с однотактным инвер
тором представлен на рис. 1.12.
С помощью электронноrо
ключа, выполненноrо на Tpaн
зисторе VI'l, на первичную об
мотку развязывающеrо TpaHC
форматора т подаются импульсы
напряжения с частотой несколь
ко десятков килоreрц. Трансфор
матор, работающий на высокой
частоте, получается небольших
rабаритов, с малым числом вит
ков В обмотках, но с относитель
но большой проходной мощнос
тью. Использование широтно
импульсной модуляции при уп
равлении ключом VI'l позволяет
поддерживать стабильным BЫ
ходное напряжение инвертора
при изменении питающеro Ha
пряжения в широких пределах.
Например, терминалы серии
SPAC800 устойчиво работают при
изменении напряжения от 88 до
242 В. для исключения повреж
дения инвертора при несоблюде
нии полярности подаваемоrо Ha
пряжения на ero входе устанавли
вается диодныIй мост VC1. EMKOC
ти накопительных конденсаторов
Сl и С2 обычно выбирают из co
ображения требуемоrо сrлажива
ния пульсаций в выхдномM Ha
пряжении при питании инверт
ра от выпрямленноrо постоянно
ro тока. В HeKoтopbIX случаях eM
кости Сl и С2 увеличивают до
уровня, достаточноrо для исклю
чения сбоев в микропроцессор
ной части при кратковременных
понижениях питающеro напря
жения, возникающих, например,
при коротких замыканиях на
смежных фидерах в сети опера
тивноrо тока. Отметим, что в БП
большое внимание уделяется за
щите от перенапряжений в пи
тающей сети и исключению про
никновения помех внутрь YCT
ройства.
11. ИlПEрфЕйсы цифровых
УCfPОЙcrв
Под интерфейсом понимается
совокупность аппаратных, про
rpaMMHbIx и конструктивных
средств, необходимых для реали
зации взаимодействия различных
цифровых устройств, обьединен
ных в систему.
По принuипу обмена инфор
мацией интерфейсы подразделя
ются на интерфейсы с nарШlЛель
ной u nоследовательной передачей
данных [2].
Наиболее быстрый обмен ин
формацией меЖдУ двумя цифро
выми устройствами обеспечива
ет nарШlЛельный интерфейс, упро
щенная схема Koтoporo представ
лена на рис. 1.13, а.
В этом случае по синхронизи
рующему сиrналу СС (в действи
тельности это может быть после
довательность из нескольких сиr
налов управления) передающее
устройство выставляет на шину
+
иB
+
т
I VC2
I * +
I + и
I С2 Bыx
Рис. /./2. Упрощенная схема нмnyльсноro блока 1IIП'aIПIЯ:
СУ схема управления
19
СТ6 6Д 6fl Сn6
nepeAD'm'l'UK
1
О
1
1
nepeAD'm'l'UK
1
О
1
1
шд
Приемник
1
О
1
1
сеА
а)
Приемник
Рис. 1.13. ВаРIWПЫ обмена информацией
6)
данных ПЩ одновременно все
разряды передаваемоrо числа, а
приемное устройство ero считы
вает. Как видно, параллельный
интерфейс требует достаточно
сложноrо тракта передачи, вклю-
чающеrо п + 1 физические линии
при п разрядном слове переда
ваемых данных. Чаще вcero этот
тип интерфейса при меняется
при передаче информации на He
большие расстояния (например,
при связи компьютера с принте
ром) или при необходимости
обеспечить наивысшую скорость
обмена.
Технически более просто BЫ
полняется интерфейс с пOCllедо
ваmельной передачей данных. В
этом случае слово данных переда
ется последовательно разряд за
разрядом. Наиболее распростра
нен асинхронный режим переда
чи данных, схематически пред
ставленный на рис. 1.13, б. Асин
хронный способ передачи дaн
ных требует минимальноrо коли
чества линий.
20
При асинхронной передаче
используют определенные доrо
воренности, позволяющие при
емнику распознать не только Ha
чало и окончание передачи, но и
даже обнаруживать искажение
информации при передаче. Это
обеспечивается следующим 06pa
зом. В режиме ожидания передат
чик вьшает в линию сиrнал лоrи
ческой единицы. Начало переда
чи приемник распознает по по
явлению на линии лоrическоro
нуля. Это так называемый cтap
товый бит СТБ. Длительность
передачи одноrо бита заранее
oroBopeHa, т. е. приемник и пере
датчик должны быть предвари
тельно настроены. После оконча
ния передачи cTapToBoro бита
СТБ передатчик передает разряд
за разрядом биты данных БД
После передачи данных следует
так назьmаемый бит паритета БЛ
Бит паритета по поrоворенности
устанавливается передатчиком в
состояние лоrической единицы,
если в бите (слове) данных нечет
ное число единиц, и используется
"четный" паритет. И, наоборот, в
случае доrоворенности о работе с
"нечетным" паритетом, биту па
рите та присваивается нулевое
значение. Таким образом, ис
пользуя бит паритета, приемник
способен обнаруживать единич
ные сбои при передаче данных.
Оканчивается сообщение переда
чей стоповых битов еЛЕ (1; 1,5
или 2 бита). По сути дела стопо
вые биты определяют минималь
ный интервал меЖдУ передачей
отдельных слов данных. При
асинхронной передаче обычно
используется стандартный рЯд
скоростей: 300, 600, 1200, 2400,
4800, 9600, 19200 бит/с и т. д.
Существует достаточно мноrо
стацдартов на каналы последова
тельной связи. Стацдарты отли
чаются по скорости обмена, opra
низации и длине линий связи и
т. д. [2,4].
Наиболее известен стандарт
RS232, применяемый в IВM co
вместимых пк. Craццapт RS232C
разработан в 1969 r. Интерфейс
обеспечивает дальность связи до
15 м со скоростью до 19200 бод.
Уровни используемых сиrналов:
лоr. 0== +3 + +25 В, лоr. 1 == 3 +
25 В. СОПРОТИRЛение наrpузки
3 7 кОм.
в рЯде цифровых реле порт
последовательной связи выпол
нен в стандарте RS485. В этом
стацдарте используются сиrналы
с уровнями: лоr. О == О В, лоr. 1 ==
== +5 В. Стацдарт RS485 требует
симметричный канал (витая пара).
Обеспечивает связь сеrментами
длиной до 1200 м с возможностью
подключения до 32 узлов на cer
.мент; минимальное СОПрОТИRЛе
ние наrpузки 60 Ом; скорость
обмена до 10 Мбит/с.
Как видно, портыI У цифрово
ro реле и персональноrо компью
тера выполнены в разных CTaH
дартах, что исключает их непо
средственное соединение. Ha
пример, для подключения реле
серии SPACOM (фирма АВВ) к
ПК используется специальный
соединительный кабель SPA ZP
5А3, имеющий встроенные в pa
зъем преобразователи уровней
сиrналовDАlи пА2 (рис. 1.14).
Питание преобразователей
осуществляется от реле через спе
циальный блок питания DАЗ. На
схеме принятыI следующие обо
значения:
RD (Received Data == прини
маемые данные);
тп (Transmitted Data == пере
даваемые данные);
РО3"6ен пк ПА1 РUЗ"6ен реле
(RS 2J2) (RS '/8з)
/(0 2 (0/5)8 2 ТО
ТО (0/5)8 J ЛО
J
7 fiNO
DSR 6 .9 8В
CTS 6
Рис. 1.14. Схема внyrpelППfX соединеlПlЙ кабеля SPA ZP 5A3
21
DSR (Data Set Ready == данные
r01'OBbI);
CTS (Qear То Send == r01'OB к
передаче);
GND (Ground == земля).
При передаче информации
MOryr использоваться различные
физические среды: электричес
кие линии, радиоканалы, воло
конно оптические линии связи
(ВОЛС).
1.12. ПРОВОДНЫЕ КАНАЛЫ
СВЯЗИ
Передача импульсов по элект
рическому каналу с оrpаничен
ной полосой пропускания !lf==
== f тax fтiп сопровождается за
держкой и искажением фор
мы передаваемоrо импульса
(рис. 1.15).
На рис. 1.16 представлена cxe
ма передачи информации с ис
пользованием волоконно опти
ческоrо канала связи.
Основными компонентами
этой системы являются: оптичес
кий излучатель VD, световод С
и светочувствительный элемент
(фотоприемник) JIТ. В качестве
излучателей используются полу
проводниковые светодиоды и
последнее достижение оптоэлек
троники недороrие твердотель
ные диодные лазеры. В отличие
от диффузионных светодиодов,
лазеры являются источниками
коrерентноrо излучения. Обычно
используется излучение с длиной
волны 800 им (инфракрасная 06
ласть невидимоrо спектра) [2]. В
качестве детекторов используют
ся Фототранзисторы и рiп диодыI.
Последние являются BЫCOKOкa
чественными оптическими дe
текторами с временем срабатыва
22
ния В несколько наносекунд и
чувствительностью до 1000 фото
нов/с [2].
Движение света вдоль криво
линейноrо световода происходит
при MHoroKpaTHoM внутреннем
отражении луча на rpанице cвe
1'Овод оболочка.
Волоконно оптический Ka
бель (ВОК) является сложным
сооружением, rдe, кроме обеспе
чения минимальных потерь энер
rии при передаче, достаточно
MHoro внимания уделено защите
световода от внешних воздейст
вий. Существует несколько типов
ВОК Самым дешевым является
волокно со ступенчатым изме
нением коэффициента прелом
ления. Часто для этой цели ис
пользуется оптически прозрачная
пластмасса. Минимальные поте
ри в пластмассовом волокне Ha
блюдаются в области видимоrо
(кpacHoro) излучения. С помо
щью пластмассовых световодов
можно передавать данные на pac
стоянии до нескольких десятков
метров. В кабелях более BbIcoKoro
качества используется кварцевое
волокно. Кварцевые световоды
бывaIOТ со ступенчатым и плав
ным изменением коэффициента
преломления (лучше). Послед
ним достижением волоконно оп
тической дальней связи является
передача информации на часто
тах до 4 rrц и на расстояние
120 км без повторителей [2].
Световоды, по сравнению с
электрическими кабелями, 06ла
дают рядом достоинств:
высокая помехозащищен
ность в условиях электромаrнит
ных полей;
большая пропускная способ
ность. По сравнению с коаксиаль
Х ВХ
ХВХ r "" """
JUt S I I
HH ! Х ВЫХ I I
I I
I I
..
t
С)
ХВЫХ ,r',........"' \
I \
Jф НН 1xвыx \
,
,
'...
t
о) tsaa
Рис. 1.15. Искажения CIIПIIIJIa при передаче по реальному каналу:
х..х входной сиrнал; Х вых выходной сиrнал; (нар время нарастания сиrнала; 'зад
время задержки сиrнала
ными ка6елями, в которых CKO
рость И потери существенно зави
сяr от частоты, дисперсия (зави
симocrь фазовой скоpocrn вoJlliыI
от частоты) ВОК незначительна,
а, следовательно, в них в Meнь
шей степени наблюдается ушире
ние импульсов (рис. 1.15, в);
безопасность при эксплуата
ции. Исключается вынос элект
рическоrо потенциала из элек
троустановки; невозможно возrо
рание кабеля по причине KOpOТ
Koro замыкания;
не используется дефицитная
медь, что делает их потенциально
дешевле в перспективе при oтpa
ботке технолоrии производства
оптоволокна;
высокие эксплуатационные
характеристики: малый радиус
изrи6а, некритичность к услови
ям прокладки (возможна про
кладка рядом с сильноточными
кабелями), малые массо rабарит
Нble показатели и т. д.
Основным же недостатком
ВОК является сложность сопря
жения (стыковки) световодов
ме:жду собой, а также с излучате
лями и прием никами сиrналов.
Эro обуславливается и малым ce
чением волокна (диаметр 0,125 мм
и менее), и необходимостью BЫ
полнения среза волокна cтporo
перпенпикулярно ero оси и обра
6отки среза с высокой степенью
чистоты для получения мини
;rиJ;: : TJy;S
Тк Як I
РиС. 1.16. Схема передачи информации с ИСПОЛЬЗОВ3lПlем во.лОКОИНО ОППlЧескоroканала
связи
23
мальноrо затухания. По этой
причине одножильные кабели
протяженностью до нескольких
десятков метров в настояuцее
время считаются неремонтопри
rодНЫМИ. Однако, технолоrия
сраIЦИвания оптических кабелей
быстро совершенствуется.
При использовании ВОЛС
цифровые устройства заIцитыI He
обходимо дoocHauцaTЬ модулем
оптико электронноro преобразо
вания. Такой модуль может быть
как встроенным, так и внешним.
В качестве примера рассмотрим
орraнизацию ВОЛС меЖдУ цифро-
выми реле фирмы АВВ с устройст
вом Bepxнero уровня (АСУ ТП).
Передача информации ocyuцecT
вляется с помоIЦЬЮ так называе
мой SPA lllliHbI (рис. 1.17).
На схеме принятыI слеДУЮIЦИе
сокраuцения: Rx (Receiver) при
емник сиrнала; Тх (Transmitter)
передатчик сиrнала.
Под SРА шиной понимается
совокупность аппаратных средств
связи и правил формирования
передаваемых сообuцений, OroBO
ренных В протоколе обмена. Фи
зически SРА шина представляет
собой оптико волоконную пет
лю, последовательно связываю
lЦYЮ отдельные реле и устройство
Bepxнero уровня. Передача сиrна
ла только в ОдНом направлении
cyuцecтвeннo упроuцает KOHCтpYК
цию оптико электронных преоб
разователей. Сообuцения, переда
ваемые по оптической петле,
циркулируют от ОдНОСО оптико
электронноro преобразователя к
дрyrому до тех пор, пока не най
дут CBoero адресата. В cooтвeтcT
вии со SРА протоколом переда
ваемые сообuцения имеют вид,
представленный на рис. 1.18 [6].
для практических целей мож
но применять следуюuцее cooтнo
шение между предельной CKOpOC
тью передачи импульсов V тax (из
меренной в бодах; бод это CKO
рость передачи, исчисляемая в
тактах за секунду) и полосой про
пускания канала 4f (задаваемой
в [ерцах) [3]:
Vтax:S; 211f.
24
Рис. 1.lZ 0praинзa1utя ВOJЮКОIDIO OIП1IЧескоro канала связи
сторюо8ыи
симВол
СимВо.ll OKOH'IdHUR
nepeAd'lU
Рис. 1.18. Crpyктypa передаваемых сообщеlПlЙ по SРА UIИIIe
Как видно, узкополосный Ka
нал оrpаничивает скорость обме
на. Например, при передаче ин
формации по телефонному Ka
налу с полосой пропускания д! ==
== 3200 [ц максимальная скорость
будет равна 6400 бод.
Для передачи импульсных
сиrналов по телефонным лини
ям, рассчитанным на передачу
тональных (аналоrовых) сиrналов
используют модемы. Как следует
из названия, модем (МоДем ==
== Модулятор + Демодулятор)
обеспечивает преобразование им
пульсных сиrналов в тональные
сиrналы путем модуляции Hecy
щей частотыI. Современные Moдe
мы обеспечивают полнодуплекс
ную связь, т. е. передачу инфор
мации по одному телефонному
каналу одновременно в обоих нa
правлениях, например, при пере
даче в одном направлении ис
пользуется несущая частота
1200 [ц, а в дрyrом 2400 [ц.
Иноrда взамен амплитудной MO
дуляции используется частотная
или фазовая модуляция. Пер
спективной является, так назы
ваемая, фазовая манипуляция. В
этом случае, изменение фазы ocy
шествляют после передачи пары
битов (дебита): 00 == 00; 01 == 900;
10 == 1800; 11 == 900. Фазовая Ma
нипуляция как бы снижает экви
валентную скорость передачи и
способствует повышению про
пускной способности канала.
При передаче информации по
последовательному каналу связи
применяют различные способы
проверки достоверности полу
ченной информации. Эrо и CBep
ка битов паритета с числом еди
ниц в отдельных символах, и
сверка суммы кодов всех симво
лов, входящих В сообщение, с
контрольной суммой этих кодов,
передаваемой в конце сообще
ния. Все это исключает непра
вильное восприятие информаuии
приемником. Однако, при боль
шом уровне электромаrнитных
помех эффективная скорость
передачи информации по элект
рическим линиям связи резко па
дает, так как искаженное сообще
ние приходится повторять. По
этой причине, в условиях элек
тростанций и подстанций альтер
нативой электрическим линиям
становятся волоконно оптичес
кие линии связи.
1.13. ВОЛОКОIПЮ
ОПТИЧЕСКИЕКАНАJIЫ
ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Волоконно оптические систе
мы связи стали развиваться с Ha
чала 70 x rодов. Им предшество
25
вало появление в начале 60 x
rодов лазера мощноrо инстру
мента для передачи информации.
Однако естественная среда aT
мосФера оказалась нестабильной
для орrанизации связи в оптичес
ком диапазоне. Способствовало
развитию волоконно оптических
систем и уже отлаженное к этому
времени производство сверхчис
тoro кремния, необходимоrо для
получения высококачественноrо
кварцевоrо стекла. Начиная с
1978 rода волоконно оптические
системы начали использоваться
и для коммерческих целей [5].
Б настоящее время эта отрасль
бурно развивается.
Для исключения конфликт
ных ситуаций (одновременной
передачи по петле нескольких co
общений), устройство BepxHero
уровня является ведущим и толь
ко ему дается право иницииро
вать обмен информацией. Бедо
мые устройства MOryт только oт
вечать на запросы ведущеrо ycT
ройства.
При необходимости OДHOBpe
MeHHoro обращения ведущеrо
устройства ко всем ведомым (Ha
н" 7х
RS'I65 SPA
.u л
Рис. 1.19. C1pyкrypнaя схема преобразова
теля SPA ZC 17
26
пример при синхронизации BНYТ
ренних часов) используется так
называемый широковещатель
ный режим. При этом использу
ется общий для всех ведомых
адрес.
К аппаратным средствам SPA
шины относятся оптико элек
тронные преобразователи. Наи
большее распространение полу
чил преобразователь SPA ZC 17,
структурная схема KOToporo при
ведена на рис. 1.19.
Это устройство преобразует
оптические сиrналы в электри
ческие (стаIЩарт RS485) и наобо
рот. Преобразователь питается от
сети оперативноrо тока и oднo
временно от реле. К реле преобра
зователъ подключается через девя
тиштырьковый разъем D типа.
Болоконно оптические кабели
подсоединяются через оптичес
кие соединители (разъемы) к
выходу передатчика Тх и входу
приемника Rx, Преобразователь
может работать с БОК как на oc
нове стекловолокна, так и с плас
тиковой сердцевиной. Однако,
ввиду Toro, что в разных типах
кабеля применяется передача с
разной длиной волны оптичес
KOro излучения, то это следует
учитывтьь при выборе модифика
ции прео6разователя. Например,
SРА ZС 17ББ. Первая буква yкa
зывает на тип волокна, идущеrо к
передатчику, а вторая к прием
нику; Б пластиковая сердцеви
на; М стекловолокно. Две пос
ледние буквы указывют на тип
волокна.
Аналоrичную конструкцию
имеют и друrие оптико элек
тронные преобразователи. Ha
пример, SPA ZC 21 отличается
от paccMoтpeHHoro отсутствием
питания от сети.
2. Особенности обработки информации
в цифровых реле
2.I.ОСНОВНЬШ
ХАРАК1ЕРИCIИКИ
ЦИФРОВЫХ РEJШ
Цифровые реле обладают вce
ми достоинствами, достиrнуrыми
с помощью электронных реле с
аналоrовыми принципами обра
ботки информации. Это более
близкий к единице коэффициеm
возврата измерительных opraHoB
(0,96 0,97 вместо 0,80 0,85 у
механических реле), малое по
требление мощности от TpaHC
форматоров тока (ТТ) и напряже
ния (ТН) (на уровне о, 1 0,5 В . А
вместо 1O 30 В. А у электроме
ханических реле). Правда, при
этом электронным реле требует
ся надежный источник питания.
Практически, независимо от
числа реализуемых функций
цифровое устройство РЗ потреб
ляет от сети оперативноrо тока
мощность порядка 15 20 Вт.
2.2. СОБcrвЕННОЕ ВРЕМЯ
СРАБАТЬШAIШЯ ЦИФРОВЫХ
РEJШ
Собственное время срабаты
вания измерительных opraHoB
цифровых реле осталось практи
чески таким же, как у их электро--
механических аналоrов. Это
можно объяснить тем, что для оп
ределения интеrральных пара
метров контролируемых токов и
напряжений (действующих зна
чений, фазовых сдвиrов) требует
ся некоторое время. Так, соrлас
но определению, действующее
значение периодической Bpe
менной функции х(l) находится
по выражению:
нТ
Xd== (t х2 (1) dr)
В реальном времени резуль
тат вычислений этоrо интеrpала
может бьпь получен только после
наблюдения за контролируемым
сиrналом Х и) в течение отрезка
времени, paBHoro периоду Т.
Цифровые реле, как и их aHa
лоroвые прототипы, в принципе
MOIyr формировать сиrнал сраба
тывния и через более короткий
отрезок времени, чем период т,
если значение контролируемой
величины заведомо превышает
уставку. Это леrко сделать, так
как численное интеrрирование
представляет собой подсчет cyм
мы приращений:
t+ Т N
J Хи) dl"'" L х(I;) Ы,
t ;=0
rде х(l) значение подинте
rpальной функции в узловых точ
ках Х (1; ), взятых на иmервале ин
теrpирования; Ы отрезок Bpe
мени ме:жцу двумя точками изме
рения.
При значениях контролируе
мой величины, соизмеримых с
уставкой, время набтодения будет
стремиться к Т.
Кажется, что в условиях, коrда
входной сиrнал представляется
только одной rармоникой, на BЫ
числение действующеrо значения
27
можно тратить меньше времени,
так как амплИ'l)'да синусоиды (а
соответственно, и действующее
значение) может бьпь вычислена
после измерения нескольких ее
МfHoBeННbIX значений. Однако, в
реальных сиrналах Bcerдa наряду
с интересуемой rармоникой при
сутствуют дрyrие rармоники и
апериодические составляющие.
Вьщеление же из сложноrо сиr
нала интересующей rармоники
требует HeKoтoporo времени.
В общем случае, сказанное не
распространяется на реле, в KOТO
pbIX не используется определение
интеrpальных параметров сиrна
ла. Например, в дифференциаль
ной токовой защите теоретически
можно производить сравнение
MrHoBeHHbIx значений токов в
ветвях защищаемой схемы. Oднa
ко и в дифференциальных реле
приходится сталкиваться с BO
просами фильтрации. Фильтра
ция требуется для подавления
помех в рабочих токах и при фор
мировании блокирующих воздей
ствий, например, при бросках
тока намаrничивания, если речь
идет о дифференциальной РЗ
трансформатора. Броски тока Ha
маrничивания обычно обнаружи
ваются по фаК1)' появления BTO
рой rармоники в дифференци
альном токе.
2.3. ФИЛЬТРАЦИЯ СИfНAJIОВ
В ЦИФРОВЫХ РЕЛЕ
Если контролируемый сиrнал
периодический и существует дo
статочно длительное время, то
для выделения основной rapMo
ники (или любой дрyrой) можно
воспользоваться теорией rapMo
28
ническоrо анализа, в cooтвeTCT
вии с которой для определения
амплИ'l)'ДЫ k й rармоники потре
буется сначала вычислить ее op
тоrональные составляющие:
1+Т
ak== J x(t) coskmtdt;
t
t+ Т
bk== J x(t) sin kmtdt ,
t
и только затем ее ампл И'l)'ДУ:
Xk== v a l: +b l: .
Как показано, ортоrональные
составляющие определяются
путем интеrpирования BpeMeH
ной функции x(t) в течение пе
риода Т.
Численный способ rармони
ческоrо анализа при меняется в
том случае, Korдa функция х (t)
известна на промежyrке О < t Т
только в дискретной системе TO
чек (п==пТ / N, п == о; 1; ..., N 1.
Эrот способ также связан с He
обходимостью использования
при вычислениях составляющих,
принадлежащих разным MOMeH
там времени:
N 1
ak == 1 L x(t п ) cos ( 2п "; ) ;
п=О
N 1
bk== 1 L x(tп) sin ( 2п "; ) ;
п=О
Xk== v a l: + b l: .
И, наконец, рассмотрим рабо
ту цифровоrо фильтра. Цифро
ХВХ
!!
........
"'"
о 1 2 J ....n t о 1
а)
Х ВЫХ
Х ВЫХ п т
2 J
5)
....n t О 1 2 3
В)
....n t
Рис. 2.1. Пояснение рабоп.. цифровоro фильтра
вой фильтр [7] работает с после
довательностью из N выборок
Х вхп , п == о; 1; ... N 1, взятых с
интервалом 111 из входноrо сиr
нала x (1). На выходе фильтра в
результате определенных опера
ций возникает последователь
ность чисел ыx п .
Входной сиrнал сложной фор
мы x (1) может бьпь разбит на
достаточно короткие прямоyrоль
ные импульсы (рис. 2.1, а). Для
любой электрической цепи име
ется ее импульсная характеристи
ка g(t), которая определяет про
цессы в цепи после завершения
импульса (рис. 2.1, 6). Сиrнал на
выходе электрической цепи в MO
мент наблюдения п (рис. 2.1, в)
вычисляется как сумма откликов
цепи на все импульсы в проме
жyrке от 1 == О до момента наблю
дения п (111 длительность oт
дельноrо импульса), т. е.:
п
bJxп==lim L xkg[(п k)l11] ""
Ы---)Оk О
п
"" LXвxkg[(п k)AI].
k O
Если используемые при BЫ
числениях весовые коэффициен
ТbIg[(п k)I11] будyrсовпадатьс
соответствующими значениями
импульсной характеристики Ka
Koro либо частотноrо фильтра, то
выходной сиrнал цифровоrо
фильтра будет эквивалентен BЫ
ходному сиrналу аналоrовоrо
фильтра. Идеальный цифровой
фильтр должен оперировать с
бесконечным числом выборок из
входноro сиrнала, предшествую
щих моменту вычисления очеред
ной составляющей ero выходноrо
сиrнала. Реальное цифровое ycт
ройство может работать лишь с
конечным числом выборок N
Связывая число используемых
выборок с неким BpeMeнным OK
ном наблюдения за входным сиr
налом (рис. 2.2, а), можно OTMe
тить следующее.
В первые моменты времени
после скачкообразноrо изменения
входноrо сиrнала вычислительное
устройство некоторое время будет
формировать "неправильный"
выходной сиrнал. это поясняют
эпюры сиrнала, видимоrо в окне
наблюдения в различные MOMeH
29
[
А Окно нu6"лНl,ft'НUЯ
8
о
а)
t
t =0,25 Т
[=fJ,250mN. ед.
5)
t=4GT
I=D,somH. ед.
Рис. 2.2. Набтодеиие peaлыюro cиmaлa
А; К,
1,0
JA6
о
1'",111 f'mIlJt
A
А!
1 А"
-JL
f
Рис. 2.3. ЧаС1Umый спеКlp ВХОДНОro CШ1WIа и АЧХ фильтра:
f частота сиrнала; А aмruштyда сиrнала; };ф коэффmщент передачи фильтра
ты времени (рис. 2.2, б 2). Для
наrлядности на эпюрах приведе
ны действующие значения тока.
Вь мна rnнооивший режим
работы может бьпь констатиро
ван, например, по совпадению
результатов наблюдения в двух
смещенных во времени окнах нa
блюдения (рис. 2.2, а). Точность
вычислений будет тем ВЬШIе, чем
больше выборок находится в окне
наблюдения.
Цифровые фильтры имеют
ряд преимуществ. Основные из
них надежность в работе и CTa
бильность характеристик, Heдo
30
стижимые в аналоrовых фильт
рах. Однако, так же как и анало
rовые фильтры, цифровые имеют
противоречие в части точности
вьщеления нужной rармоники из
сложноrо сиrнала и времени, за
трачиваемоrо на фильтрацию.
Для тою, чтобы отстроиться от
апериодических составляющих,
высших rармоник (Аз, As, на
рис. 2.3), помех (.4.; , А;;), ампли
тудно частотная характеристика
(АЧХ) входноrо тpaкrn реле долж
на бьпъ подобна характеристике
полосовоrо фильтра (кривая а на
рис. 2.3).
Качество полосовоrо фильтра
характеризуется ero полосой про
пускания, определяемой на ypoB
не, Korдa коэффициент переда
чи фильтра Rф уменьшается на
3 дЕ. По аналоrии с колебатель
ным контуром для полосовых
фильтров введено попятие доб
ротности:
Q== fрез/ifтох fтiп) ,
rдеfрез./тох ./тiп cooтвeтcтвeH
но резонансная, максимальная и
минимальная частоты, xapaктe
ризующие фильтр.
В [8] показано, что время зату
хания собственных переходных
процессов в полосовом фильтре
BToporo порядка определяется
выражением:
t nep == 6 Q / (21tfрез) ,
т. е. чем выше добротность, тем
дольше длится переходный про
цесс в фильтре. Например, дли
тельность переходноrо процесса в
полосовом фильтре, имеющем
добротность Q == 5 и настроенном
на выделение rармоники про
МЬПШIенной частотыI ({рез == 50 [ц)
около пяти периодов:
t nep == 6Q/( 21t fрез) ==
==6.5/314=О,lс==5т.
К таким же результатам можно
прийти, используя спектральный
подход к описанию электричес
ких колебаний [7].
Сужение полосы пропускания
улучшает помехозащищенность
реле, так как большинство по
мех является импульсными сиr
налами (rpoзовые разряды, KOM
мутационные перенапряжения и
т. д.), а, следовательно, имеют
протяженные спектральные xa
рактеристики. При этом, чем уже
полоса про пускания входноrо
тракта реле, тем меньшая доля
энерrии помехи будет добавлять
ся к рабочему сиrналу. Однако,
слишком узкополосный входной
тракт реле приводит к неприем
лемому снижению быстродейст
вия реле. Для повышения бы
стродействия РЗ лучше приме
пять фильтры меньшей доброт
ности.
2.4. ФИЛЬТРЫ
CИММEfPИЧНЫХ
сocrARJIЯЮIЦИX
Вьщеление симметричных co
ставляющих из трехфазной сис
тeМbI токов И напряжений широ
ко используется в практике РЗ.
Алrоритмы вычисления симмет
ричных составляющих прямой,
обратной и нулевой последова
тельностей известны:
3X 1 A==XA+ аХв+ 02Хс;
3Х2А==ХА+ 02Хв+ аХс;
3АО == ХА + ХВ + Хс,
rдe ХА' Х в , XC вектора, изобра
жающие соответствующие фаз
ные величины (токи или напря
жения) вида: х== Xsin (шt+ <р);
0(02) операторы, поворачи
вающие данный вектор на утол
'1' == 2п / 3 рад по направлению
(против направления) вращения
векторов трехфазной системы.
Векторная диаrpамма фазных
значений величин, используемых
для выполнения фильтра обрат
ной последовательности, приве
31
ХА
аХс
ХС
Рис. 2.4. ВьщмеlПlе симметричных cocтaв
JIЯIOЩИX
дена на рис. 2.4. В фильтре cyм
мируются значения векторов ЖА ,
Ж в, повернyrorо в сторону oтcтa
вания на 1200 (а 2 Жв) и Ж с' по
Bepнyroro в сторону опережения
на 1200 (аЖ с).
2.5. РАБОТАРEJIE
ПРИ НАСЬПЦЕIШИ
ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА
Цифровые принципы обра
6отки сиrналов эффективно при
меняются и для обеспечения пра
вильной работы реле при нacы
щении измерительных П. Оче
видно, что вторичный ток Hacы
тившеюся П существенно отли
чается от ею идеальноrо значе
ния. Однако, известно и то, что
даже в случае rлу60коrо насыще
ния тт в отдельные моменты
времени трансформация ocy
ществляется правильно (верхняя
кривая на рис. 2.5).
Этим обстоятельством можно
воспользовтъся и правильно оп
ределить амплитудное или дейст
вующее значение искаженноrо
вторичноrо тока. для этоrо необ
ходимо измерить MrHoBeHHbIe
32
значения тока на отрезках пра
вильной трансформации, вычис
лить ero амплитудное (действую
щее) значение, предполаrая, что
закон ero изменения известен:
i (tl ) == 1т sin (filt + <р). Безуслов
но, реальный алrоритм BOCCTa
новления искаженною вторич
Horo тока при насыщении тpaHC
форматора rораздо сложнее.
Решение задачи восстановле
ния токов требуется, например, в
РЗ от однофазных замыканий на
землю в сетях с изолированной
нейтралью, rде высока вероят
ность попадания ТТ нулевой
последовательности в режим rлу
бокоrо насыщения. Принцип
экстраполяции необходим и для
правильноrо восстановления фаз
сиrналов. На рис. 2.5 показано,
что вьщеление основной rapMo
ники из искаженноrо сиrнала
путем частотной фильтрации
приводит к большой поrpeшнос
ти в определении ее амплитуды и
фазы. Идеальная кривая тока по
казана в нижней части рис. 2.5, а
восстановленая в верхней.
пра6uльноя
lт Siлwt ра50та тт
,..., п ........... ----..........
I \ I I I "
\ I I I
\ I I I
\ I I I
\ I I I
\1 I
'f
t
t
1т Siп(tJJt '/')
Рис. 2.5. НасьпцеlПlе трансформатора тока
2.6. ЗАЩИТА от ПЕРЕrPУЗОК
Следствием токовой переrpуз
ки электроустановки является
чрезмерный HarpeB ее активных
частей обмоток, контактных
соединений, маrнитопровода и
т. д. Казалось бы, наиболее пр
стым решением в этом случае
будет непосредственный KOH
троль температуры. Однако, сис
темы тепловоro контроля весьма
инерционны из за необходимос
ти изолировать датчики темпе
ратуры от ТОКОБеДУЩИХ частей
электроустановки. Имеются про
блемы и с размещением датчи
ков, и с передачей сиrналов от
датчиков к выключателю. Вслед
ствие этоrо практическое распр
странение получили РЗ на основе
КОСБеННОro контроля тепловоrо
состояния электрических машин
и аппаратов.
Косвенный контроль темпера
туры проводника путем измере
ния протекающеro по нему тока
лежит и в основе тепловоro pac
цепителя с биметаллической
пластиной, и в основе ИlЩYКЦи
oHHoro реле. Однако, механи
ческие устройства нестабильны,
сложны в производстве и работа
ют с большой поrpeшностью. Cy
щественный проrpeсс в этом Ha
правлении бьш достиrнут с пере
ходом на электронную элемент
ную базу построенИЯ тепловых
реле. Впервые в отечественной
практике тепловая защита в aнa
лоrовом варианте появилась в Ha
чале 80 x rодов в составе KOM
плектноrо устройства ЯРЭ220]
(модуль T021O). Теперь при по
строении РЗ от переrpузок исполь
зyюrcя микропроцессоры (МП).
Процесс HarpeBa проводника
протекающим по нему током xo
рошо изучен и описан в литерату
ff
I
I
1<0
D
SFS
.,. Р,,"
"tf. нач 100,/.
Dl
tli..НdЧ
6)
Рис. 2.6. Фyнкщtональиая схема З3ЩIПЪ1 (JJ' переrpyзок:
J orключение; II предупредиreлъный сиrнал; III запрет повторноro пуска
зз
ре [9, 10]. Тепло, вьщеляющееся в
единичном проводнике или во
всей обмотке, частично отводит
ся в охлажцающую среду, а час
тично идет на разоrpев caMoro
проводника. С достаточной для
целей РЗ точностью процесс Ha
rpeBa может бьпь описан линей
ным дифференциальным ypaBHe
нием первоrо порядка [10]:
l:1P == а F /):() + cтd l:1 fJ / dt, (2.1)
rдe l:1P == J2 R мощность потерь,
выделяющихся в про воднике
с сопротивлением R вследствие
протекания по нему тока 1;
а коэффициент теплопереда
чи; F поверхность охлажцения
проводника; с удельная тепло
емкость материала проводни
ка; т масса проводника; l:1fJ
превышение температуры про
водника над температурой oкpy
жающей (охлажцающей) среды;
t время.
Решение диФФеренциальноrо
уравнения (2.1) относиreльно пре
ВЬШJения темпера1урЫ имеет вид:
l:1fJ(t) ==l:1fJ ycr (1) (1 e t/T) +
+ l:1fJ нач e t / т, (2.2)
rдe l:1fJ (t) преВЬШJение темпе
ратуры проводника в текущий
момент времени (; l:1fJ ycr (l)
установившееся значение пре
ВЬПllения температуры проводни
ка в случае бесконечно дЛитель
Horo протекания по нему тока
наrрузки 1; l:1fJ нач исходное
превышение температуры про
водника (при t == О), обусловлен
ное предшествующим режимом;
Т== ст/(а F) постоянная Bpe
мени HarpeBa (или охлажцения)
проводника.
Постоянная времени Harpeвa
определяется конструкцией и yc
ловиями охлажцения. Например,
34
в электрических машинах усло
вия охлаЖдения существенно
зависят от Toro, вращается или
стоит машина. Так, соrласно [10],
у остановленноrо электродвиrа
теля (ЭД), вследствие ухудшения
вентиляции, постоянная времени
охлажцения обмотки увеличива
ется в 1,5 2 раза.
Из выражения (2.2) можно по
лучить формулу для определения
времени разоrpeва проводника от
начальной температуры l:1fJ нач ,
обусловленной предьщущим pe
жимом, до предельно допусти
мой температуры (температуры
отключения l:1fJ orK ):
(== Т ln{[l:1fJ ycr (l)
l:1fJнач] /[l:1fJ ycr (l) l:1fJorK]}. (2.3)
Предельное время наХОЖде
ния проводника при заданном
токе 1 может бьпь определено и
по следующему выражению:
(== Т ln [(12
I ач ) / (12 Ilлк )]. (2.30)
Переход от температуры к TO
кам, сделанный в (2.30), вполне
допустим вследствие их линей
ной связи. Эта связь прослежива
ется из (2.1) при рассмотрении
установившихся режимов. При
d l:1fJ / dt О l:1fJ == [2 R/ а F.
Вьmолнять устройство РЗ, ба
зируясь на расчетах предельноrо
времени переrpузки по выраже
ниям (2.3) или (2.30), нельзя, так
как ток переrpузки в общем слу
чае изменяется во времени, а Ha
чальная температура существен
но зависит от предьщущеrо режи
ма. Правильным решением будет
отслеживание текущеrо значения
температуры обмотки путем He
прерьmноrо вычисления следую
щеrо интеrpала, получаемоrо из
(2.1):
== } [I2R aF ] dt+
ст
+ нач . (2.4)
Удобнее пользоваться систе
мой относительных единиц, взяв
за базис ток отключения электро
установки I arк , и темпера1УРУ oт
ключения, приняв последнюю за
100 %. В этом случае получим, %:
. % =={+ J [kI:
. (%) / 100] dt} . 100, (2.40)
rne k коэффициент пропор
циональности; 1. == I/I arк ;
. (%)arк == 100 %.
Защита, вьmолненная по дaH
ному принципу, бупет иметь cxe
му, приведенную на рис. 2.6, о.
На схеме принятыI следующие
обозначения: I д ток, cooтвeтcT
вующий полной заrрузке элек
троустановки; I arк ток, при KO
тором происходит отключение
электроустановки. Обычно при
нимается равным 1,05 I д ; .
текущее преВЬШlение темперmy
ры проводника над темпера1УРОЙ
окружающей среды; предельная
темпера1УРа, при постижении кo
торой происходит отключение,
принимается за 100 %.
Максиселектор UJ, выбирая
максимальный фазный ток, обес
печивает правильную работу РЗ
при разлИчных видах поврежце
ний и анормальных режимах pa
БOThI электроустановки. Узел и2
осуществляет формирование сиr
нала, пропорциональноrо тепло
вым потерям в проводнике, т. е.
квадрату тока электроустановки.
Звено из выполняет операцию
интеrpирования. При выполне
нии операции интеrpирования
численным способом можно BOC
пользоваться следующим Bыpa
жением:
{+J[kI: . (%)/1О0]Ш} .100 ==
== {+ 2. [k 1:
. (%)/100] / ы} .100.
В этом случае инrerpaтор будет
включать: иЗ1 формирователь
приращений сиrнала на входе
инrerpатора t:J( / Ы и собственно
сам сумматор иЗ2. На выхопе
сумматора будет формироваться
относительное значение текущей
темпера1УРЫ .. При постиже
нии температурой 100% Horo
значения срабатывает компара
тор SFJ и формирует сиrнал на
отключение.
Рассмотренная модель нюрева
проводника приемлема только в
случае, КOIда ток электроустанов
ки в нормальных эксплуатацион
HbIX режимах никоrда не превы
тает дЛительно допустимоrо зна
чения I д . для электродвиrателей
(ЭД) и HeKoтopbIX дрyrих объек
тов эта модель неприrодна.
Очевидно, что устройство РЗ
ЭД от переrpузки должно учитыI
вать различные условия пуска.
Кроме TOro, в отключенном co
стоянии ЭД постоянная времени
т должна автоматически увели
чиваться в ko раз, чтобы учесть
ухудшение условий охлажцения
обмотки. Решить эти проблемы
можно, если дополнить ВЬШlерас
смотренную схему (рис. 2.6, б).
35
ДЛЯ учета условий пуска ЭД в
схему введен параметр р %. Че
рез параметр р %, изменяемый в
некотором диапазоне, например,
lOO 20 %, будем задавать значе
ние начальной температуры MO
дели в момент возникновения
переrpузки. Это начальное значе
ние устанавливается на уровне
р % процентов от темперюуры,
достиrнyrой в режиме, предшест
вующем переrрузке. Например,
если ЭД допускает два пуска из
холодноrо состояния, то пара
метр р % установим равным
50 %. При более тяжелых услови
ях пуска пара параметр р % мож
но установить еще ниже, напри
мер, 20 %. Решение этой задачи
возложим на компаратор SFЗ, KO
торый будет фиксировать воз
никновение переrpузки по факту
превышения током значения
I orк == 1,05 I д ' По сиrналу этоrо
компаратора происходит измене
ние содержимоrо интеrратора.
Кстати, для максимальноro при
ближения состояния моделирую
щей схемы к состоянию, эквива
лентному проrpeтoму двиraтелю,
в момент подачи питания на реле
в интеrратор желательно зано
сить начальное значение темпе
ратуры, например, на уровне
70 % предельноrо значения.
Базовой уставкой РЗ от пере
rрузки является максимальный
ток, потребляемый ЭД в YCTa
новившемся режиме I д ' Для
адаптации РЗ к различным pe
альным ситуациям значение I д
должно реryлироваться в HeKOТO
рых пределах, например (0,5
1,5) I ном , rде I ном номиналь
ный уровень входноro тока YCT
ройства РЗ.
36
Расчетные выражения для оп
ределения текущей температуры
в зависимости от относительноrо
значения тока и времени, а также
для вычисления предельноro Bpe
мени нахОЖдения в режиме пере
rpузки для данной модели будут
иметь следующий вид:
i} (1) % ==
== i}ycr(/) (1 e t/T). 100+
+ 1'}нач e t/Tp%; (2.5)
i} (1) % == '! (1 e t/T) . 100 +
+ ( 1'}нач % / 100) e t/T р % ;(2.50)
t==Tln[(
I:начр%/100)/(/:
1: orк)] ; (2.6)
t== Т ln [(/:
1'}нач %р%/I00)/(/:
1: orк») , (2.60)
причем для режимов, Korдa ток
меньше I д , параметр р % должен
приниматься paBным 100 %.
Времятоковые характеристи
ки данной РЗ MOryт быть пред
ставлены только статическими
кривыми, получаемыми из (2.6)
при определенных условиях. He
которые из этих кривых пред
ставленыI на рис. 2.7.
Постоянная времени Harpeвa
обмотки ЭД вводится в интеr
рирующее звено из в виде пара
метра Т. За рубежом в качестве
тепловой характеристики ЭД ис
пользуется параметр t6x' Под
параметром t6x подразумевается
предельно допустимое время Ha
ХОЖдения холодноrо ЭД в за
торможенном состоянии при
t, с
1000
\\V1 2
l/J'
'\ ,..
\ i' ""
100
10
1
1
t.c
tб"
+
I
I
I
I
I
I
I
+
I
I
I
I
I
I
I
I
I
1 1,5"
6х I.
10I.
Рис. 2.7. Cramческие BpeмsrroKoвыe хаpaкreриCПIКИ защиты:
1 "холодная" хаpшcrеристика; 2 хаpшcreристика при р '" 20 %; з харaкreристика
прир'" 50 %; 4 хаpшcreристика при р '" 100 %; 5 переrpyзoчная хаpшcreристика эд
6 KpaTHOM токе. У обычных ЭД
параметр 16х' как правило, пре
вышает время пуска: 16х ==
== (1,5 + 2) l п [11, 12].
Существует однозначная связь
меЖдУ постоянной Т и парамет
ром 16х :
16х == т ln [(If
If начР % /100) /(/f Iforк)] ==
== т ln [(62 0)/(62 (1,05)2] ==
== т /32.
A .%
Для обнаружения ОТКJIючен
Horo состояния ЭД служит KOM
паратор SF2, имеющий уставку
по току срабатывания 5 + 15 %
максимальноro тока двиrателя I д .
Рассмотрим динамику работы
такой теIШОВОЙ защиты. Для Ha
rлядности сопроводим это чис
ленными расчетами. Иллюстри
рует расчеты рис. 2.8.
Предположим, что модель Ha
строена для защиты электродви
raтеля со следующими xapaктe
ристиками: ток установившеrося
режима I д * == 1; пусковой ток I п ==
100
",,); H AJ(1 l tIT)5'/l tlT
rJ;.OTK=1007G :a : 7 "............ и"" ycт.91%
50
о
'а
t "!lt:"a
tc
t
Рис. 2.8. ЭmopыюменеlВlЯ температур... в устройстве защиты
37
== 6 [д; время пуска t п == 10 с; по
стоянная времени HarpeBa Т==
== 600 с; двиrатель пускается Ha -
прямую и допускает два пуска из
холодноrо состояния и один пуск
из roрячеrо, т. е. примем пара
метр р % == 50 %; коэффициент
постоянной времени охлажпения
остановленноrо эд ko == 4.
При подаче питания на YCT
ройство РЗ В ero интеrрирую
щем узле автоматически ycтaHO
вится начальное значение темпе
ратуры, равное, например, 70 %
(см. точку а на рис. 2.8.). Если
ЭД в этот момент отключен, т. е.
ток на входе устройства защиты
отсутствует, то в схеме будет MO
делироваться процесс остьmания.
Охлажпение будет идти по экспо
ненциальному закону с постоян
ной времени охлаждения Т==
== ko Т== 4 . 600 == 2400 с == 40 мин.
Процесс остывания практически
завершится через время t == 3 Т==
== 7200 с == 120 мин. Промежуточ
ные значения температуры MOryт
быть вычислены по выражению
(2.5).
Если включение ЭД произой
дет в момент времени, cooтвeтcт
вующий "холодному" состоянию
эд (см. точку Ь на рис. 2.8), то
начальное значение температуры
будет равно О % (интеrpатор об
нулен). HarpeB будет происходить
по экспоненте с постоянной Bpe
мени Т в соответствии с выраже
нием (2.5), rдe Д'i}нач == О. OrMe
тим, что при пуске из холодноrо
состояния параметр р % не ВJJия
ет на протекание процесса нarpe
ва. Темперюура, до которой Harpe
ется эд к концу пуска, составит:
д'i} (t) % == [2 (1 e t/T) . 100 ==
== (6/1,05)2. (1 е 1O/6(0) .100==
== 54 %.
38
Если после окончания про
цесса пуска ЭД переЙдет в pe
жим нормальной работы с током
нarpузки, равным [д, то процесс
изменения температуры будет
описьmaться выражением (2.5), в
котором р % следует положить
равным 100 %. Например, спустя
5 мин после пуска температура
ЭД составит:
д'i}(t) % == [: (1 e t/T). 100 +
+ (Д'i}нач % / 100) e t/T. 100 ==
== (1 /l ,05)2 . (1 e 300 /600 ) .100+
+ (54/100) . e 300/600. 100 ==
== 35,7 + 32,7 == 68,4 %.
Установившееся же значение
температуры нормальноrо режи
ма (при t == 00) составит:
д'i} (t) % == J2 . 100 ==
== (1/1,05)2. 100 == 91 %.
Можно показать, что защита
разрешит пуск ЭД и из rорячеrо
состояния при эквивалентной
температуре ЭД равной 91 % (см.
точку с на рис. 2.8):
д'i} (t) % == [: (1 e t/T) . 100 +
+ (Д'д нач % / 100) e t/ Т. р % ==
==(6/1,05)2. (1 е 1O/6(0) .100+
+ (91 / 100) . е 1O/600. 50 ==
== 54 + 44,7 == 98,7 %.
Как видно, температура по
окончании пуска не превысила
предельноrо значения 100 %.
Эти расчеты иллюстрируют
работу тепловой защиты. При
расчете уставок и параметров Ha
стройки защитыI на основе Moдe
лирования процесса HarpeBa воз
никают определенные заТРУдНе
ния. Так как моделирование про
цесса Harpeвa по дифференuиаль
ному уравнению первоrо порядка
дает приближенную картину, то,
в общем случае, переrpузочная
характеристика объекта защиты и
времятоковая характеристика
устройства защиты не совпадают.
Поэтому можно roворить лишь о
выборе оптимальноro расположе
ния характеристики защитыI по
отношению к переrpузочной кри
вой объекта защиты. Причем,
последняя, как правило, неиз
вестна.
В рекомендациях по выбору
уставок для подобной защиты
фирмы АВВ (реле SPAМI50) [11,
12] в качестве базисной расчет
ной точки принимается точка,
соответствующая времени нахож
дения двиrателя при 6 кратном
токе (см. рис. 2.7, 6). Подобная
методика выбора уставок, но
применительно к модулю ТО31О
аналоrовоrо устройства защитыI
ЯРЭ2201, 6азирующаяся на тpe
бовании [ОСТ, допускающеrо
нахОЖдение ЭД в течение 2 мин в
режиме переrpузки 1,5 KpaTHOM
Jsx
O,ll H
5Jн
2SIH
а)
током, приведена в [13]. При
любом подходе защита должна
бьпь настроена так, чтобы ее вpe
мятоковая характеристика С Heкo
торым запасом проходила ниже
переrpузочной характеристики.
2.7. OТCfPOйкА ТОКОВОЙ
ОТСЕЧКИ ОТПУСКОВЫХ
РЕЖИМОВ
Быстродействующие токовые
отсечки ЭД (или фидеров с дви
raтельной наrpузкой) приходится
существенно зarpублять для тoro,
чтобы отстроиться от пусковых
токов. При этом режим пуска за
нимает незначительное время по
сравнению с рабочим режимом.
Более разумным было бы зarpуб
лять заЩИ1У на время пуска. Oд
нако, схема выявления режима
пуска достаточно сложна, чтобы
реализовать ее из отдельных реле,
и поэтому этот способ не имел
должноro распространения. для
цифровых реле это сводится к pe
ализации довольно простых алrо
ритмов. На рис. 2.9 представлено
решение, близкое к принятому во
1
l,5/н
о,lJи
о)
t
Рис. 2.9. Orcтpoйка отсечки от пусковых токов
39
мноrих измерительных модулях
цифровых реле фирмы АВВ.
В данной схеме токовая отсеч
ка выполнена на измерительных
opraнax КА1 и КТ1.
Наряду с основным токовым
opraнoM КА1 в реле дополнитель
но имеются еще три реле (КA2
КА4) с током срабатывания близ
ким к 0,1 l н , 1,51 н и 1,25 l н .
Здесь 1 ток нarpузки защища
eMoro фидера в установившемся
режиме. Режим пуска обнаружи
вается по факту нарастания тока
от нулевоrо значения до значе
ния, соответствующеro пусково
му режиму. Эrо фиксируется по
последовательному срабатыва
нию токовых opraнoB с уставками
0,11 н и 1,5 l н . Если нарастание
тока межцу отмеченными преде
лами происходит за время не
более 60 мс, то элемент времени
КТ2 успевает сформировать BЫ
ходной сиrнал до Toro, как он
будет заблокирован сиrналом от
ТOKOBOro opraHa КАз. Выходным
сиrналом элемента времени КТ2
триrreр DD1 переводится в cocтo
яние, обеспечивающее зarpу6ле
ние уставки OCHOBHOro ТOKOBOro
opraнa КА1 в 2 раза. По оконча
нии режима пуска ток фидера
снижается, что приводит к появ
лению сиrнала высокоro уровня
на выходе ТOKoBoro opraнa КА4,
имеющеrо уставку 1,25 l н . В слу
чае формирования им устойчиво
ro сиrнала в течение заданноrо
времени (например, 100 мс), на
R входе триrreра DD1 появляется
сиrнал и триrrер возвращается в
исходное состояние.
В реальных устройствах за
щиты обычно предоставляется
свобода в выборе данной функ
ции, что достаточно просто cдe
лать, введя в схему проrpаммный
ключ S.
3. Особенности эксплуатации
цифровых устройств защиты
3.1. НАДЕЖНОCIЪ
ФУНКЦИОlШPОВАНИЯ
СИСТЕМ С ЦИФРОВЫМИ РЕЛЕ
Одной из особенностей циф
ровых устройств является OTHO
сительная простота орraнизации
контроля исправности аппарат
ной части и проrpaммноro обес
печения. Эrому блarоприятствует
циклический режим ра6отыI мик
ропроцессора по заложенной в
реле проrpамме. Отдельные фраr
ментыI этой проrpаммы и выпол
няют самотестирование устрой
ства защиты. В арсенале разра
40
ботчиков цифровой аппаратуры
имеется целый набор типовых pe
шений в части тестирования. В
цифровых реле при самоконтроле
часто используются следующие
приемы.
Неисправность тракта анало
rо цифровоro преобразования с
большой rлу6иной охвата входя
щих в Hero узлов обнаруживается
путем периодическоrо считыв
ния опорноrо (неизменноrо по
времени) напряжения. Если мик
ропроцессор (МП) обнаруживает
расхождение межцу последним и
ранее Полученным результатом,
то он формирует сиrналы неис
правности.
Исправность ОЗУ проверяют,
записывая в ячейки заранее из
вестные числа и сравнивая pe
зультаты, получаемые при после
дующем считывании.
Рабочая проrpамма, хранимая
в ПЗУ, периодически рассматри
вается МП как набор числовых
кодов. МП выполняет их фор
мальное суммирование, а резуль
тат сравнивает с контрольной
суммой, хранимой в заранее из
вестной ячейке.
Целостность обмоток BЫXOД
НbIX реле проверяется при кpaT
ковременной подаче на них Ha
пряжения и контроле обтекания
их током.
Периодически выполняется
самотестирование МП, измеря
ются параметры блока питания и
дрyrих важнейlШfX узлов устрой
ства.
На случай выхода из строя
caMoro МП, осуществляющеrо
самоконтроль, в цифровых YCT
ройствах предусматривается спе
циальный сторожевой таймер
"watch dog". Эrо несложный, а,
следовательно, очень надежный
узел. Б нормальном режиме МП
посьтает в этот узел импульсы с
заданным периодом следования.
С приходом очередноro импульса
сторожевой таймер начинает oт
счет времени. Если за отведенное
время от МП не придет очеред
ной импульс, который сбрасьmа
ет таймер в исходное состояние,
то таймер воздействует на вход
возврата МП в исходное состоя
ние. Эrо вызьmaет перезапуск уп
равляющей проrpаммы. При He
исправности МП "зависает", yc
тойчиво формируя О Или 1. Эrо
обнаруживает сторожевой тай
мер и формирует сиrнал тpeBO
rи. При необходИМОСТИ блокиру
ются наиболее oтвeтcтвeННble узлы
устройства защиты.
Безусловно, тестирование не
может обеспечить 100 % выявле
ния внутренних дефектов изде
лия. rлу6ина тестирования цели
ком находится в компетенции
разработчика, так как тестирова
иие вьшолняется с учетом oco
6енностей KOнкpeтнOro устройст
ва и, В общем случае, неизвестна
пользователю. Реально тестиро
ванием удается охватить пример
но 70 80 % всех элементов изде
лия. Однако, разрабо1чик, заин
тересованный в достижении MaK
симальноro совершенства cBoero
продукта, стремится предпринять
все возможное для достижения
этоro.
Надежность функционирова
ния любоro устройства следует
рассматривать в двух аспектах:
надежность caMoro устройства и
надежность функционирования
всей системы, в состав которой
входит данное устройство. Ha
дежность аппаратной части кaкo
rо либо устройства в первую оче
редь определяется количеством
затраченных на ero изrотовление
комплектующих изделий и их кa
чеством. для примера предполо
жим, что ДВа устройства с одними
и теми же функциями вьшолня
ЮТСЯ, соответственно, на анало
roBOM и цифровом принципах из
комплектующих (резисторов,
конденсаторов, диодов и т. п.) С
близкими показателями по Ha
дежности. Очевидно, что более
надежным окажется устройство,
вьшолненное с использованием
меньшеrо числа элементов. У
аналоroвых устройств объем ап
41
парапюй части V растет пропор
ционально с увеличением числа
реализуемых функций и их слож
ности С, а у цифровых устройств
объем аппаратной части остается
практически неизменным при вa
риациях сложности алroритма и
достаточно urn:роких пределах.
Например, количество эле
ментов в цифровом устройстве
РЗ типа SPAC800 не превосходит
затрачиваемоrо на изrОТОRЛение
комплектноro устройства РЗ ти
па ЯРЭ2201. Но эти устройства,
предназначенные ДЛЯ релейной
защиты оборудования распреде
лительных сетей 6 10 кВ, суще
ственно отличаются по объему
реализуемых в них функций. Ha
пример, SРАС800допол льно
может выполнить функции под
системы АСУ ТП, передавая на
верхний уровень текущие и aвa
рийные значения токов и т. д.
Или, например, в цифровом тep
минале REL511R, предназначен
ном для РЗ линий 110 кв и BЫ
ше количество комплектующих
меньше, чем только в одной па
нели РЗ типа ШДЭ2801. При
этом по своим функциональныIM
возможностям REL511R эквива
лентен нескольким панелям, так
как реализует одновременно
функции РЗ ЛЭП, УРОВ, АПВ,
ОМП, реrистрации аварийных
событий.
С дрyrой CТOpoНbI, для цифро
Bых устройств характерен непре
рывный автоматический KOH
троль аппаратной части и про
rpaMMHoro обеспечения. CaMO
контроль существенно повышает
надежность РЗ как системы, бла
rодаря своевременному опове
щению персонала о случаях oткa
за аппаратной части. Это позво
ляет незамедлительно принимать
42
меры по восстаНОRЛению работо
. способности системы РЗ. В aHa
лоroвых системах РЗ, как прави
ло, предусматривается лишь пе
риодический тестовый контроль
работоспособности аппаратной
части, причем с участием челове
ка. При периодическом контроле
возможна эксплуатация неис
правной системы РЗ в течение
достаточно длительноrо BpeMe
ни до момента очередной пла
новой проверки. Таким образом,
можно roворить о более высокой
надежности функционирования
цифровых устройств.
3.2. ПОМЕХОЗAIЦИIЦEIПIOCIЪ
ЦИФРОВЫХ РЕЛЕ
Помехозащищенность это
способность аппаратуры пра
вильно функционировать в усло
виях электромarнитных помех.
Необходимая помехозащи
щенность обеспечивается только
при комплексном решении ряда
вопросов, KaK ТO:
обеспечение должноrо пре
вышения уровней информацион
HbIX сиrналов над уровнем помех.
В этой связи в энерrетике ис
пользуются сиrналы с номиналь
ныIии уровнями lА и более, l00В
и выше;
правильная прокладка линий
связи датчиков информации с
устройствами РЗ, а при необхо
димости защита линий связи
от действия помех и подаRЛения
самих помех;
правильное конструирование
аппаратной части устройства РЗ.
Если решение последнеro BO
проса находится исключительно
в ведении разработчиков аппара
туры, то вопросы защиты каналов
связи от помех должны решаться
Рис. 3.1. Вхцzuюй 1Р3КТ устройcma РЗА
преобразование подводимых сиr
налов, и rальваническое разде
ление внутренних и внешних
цепей.
Помехи MOryr наводиться как
между проводами линии связи
(помехи дифференциальноrо или
поперечноrо вида En. д ), так и
между любым проводом линии И
землей (синфазные или продоль
ные помехи En.e ).
Казалось бы, синфазные по
мехи En.е не опасны для диффе
ренциальных приемников. OДHa
ко, это не совсем так. Проникая
Bнyrpь устройства по паразитным
емкостным связям <;, эти поме
хи затем MOryr накладываться на
рабочийсиrnал,кmорыйвнyrpи
устройства, как правило, являет
на стадии проектирования и в
ходе эксплуатации системы за
щиты. Рассмотрим устройство РЗ
с этих позиций.
3.2.1. Проникновение помех
в реле и линии связи
Как правило, входная часть
устройства защиты выполняется
по схеме, показанной на рис. 3.1.
При этом, рабочий сиrнал Ее
передается по двухпроводной
линии в виде разности потенциа
лов или током. Обычно BXOД
ным воспринимающим элемен
том устройства является проме
жyrочный трансформатор Т. Как
уже отмечалось, трансформатор
обеспечивает одновременно и
':"
а)
..,.
5}
Рис. 3.2. ПроlDlКllовеlПlе помех при непосредствеlПlой связи цепей
43
ся синфазным и передается O1Нo
сительно общей шины нулевоrо
потенциала: Поэтому KOHCтpYК
торы аппара1УРЫ применяюr Me
ры, чтобы максимально ослабить
паразитные (емкостные) связи
межцу первичной обмоткой про
межуточноrо трансформатора Т
и элементами внутренней схемы
устройства.
Что касается дифференциаль
ных помех %д , то наиболее дей
ственным способом является
максимальное оrpажцение линий
связи от воздействия источников
помех, если источник помехи He
устраним. для этоrо необходимо
знать, как помехи попадают в
линию связи.
Принято различать raльвани
ческий, электростатический и
индуктивный пути проникнове
ния помех из одной электричес
кой цепи в дрyryю.
fа.лъваническая связь это He
посредственная связь цепи прием
ника полезноrо сиrнала с цепью,
rдe расположен источник поме
хи. Чаще Bcero этот пyrь возника
ет из за наличия общеrо провод
ника в рассматриваемых цепях.
Принято считать, что "земля" во
всех точках имеет потенциал,
равный нулю. Эro неверно. Pac
смотрим совместную работу
сильноточной и слаботочной
цепей (рис. 3.2, а).
В данном случае система за
земления используется в качестве
одноrо из проводников цепи
передачи информации от источ
ника сиrнала Ее к устройству У}
и далее к устройству У2. OДНOBpe
менно система заземления ис
пользована в качестве обратноrо
провода сильноточной цепи.
Такая ситуация наиболее типич
на для внутренних схем различ
ной аппара1УРЫ, Korдa шина нy
левоrо потенциала одновременно
используется в электрических
цепях, существенно различаю
щихся по мощности. Однако, по
добная ситуация возникает в
любой дрyroй слаботочной систе
ме при передаче сиrналов O1Нo
сительно общеrо провода. Ис
точники мощных сиrналов co
здaюr большие токи, протекаю
щие по земле. Например, это Ha
блюдается при замыканиях на
землю в сетях с эффективно за
земленной нейтралью или при
проведении электросварочных
.....--.............-- ........--....-- --... ...--............
....------.........--------------....
I I С.
It ас
+1
11
,1
L 1
L .j. ,
СЬС ! t
, I
I 1
C"d 1
L J.
.....--..... ------..... ..
IП7
а
,
1
I
1
I
I
I
1
I
I
1
Cad:
I
ь
t
I I п 2
L....._..
44
Рис. 3.3. Схема проникновения помех ПО eмкoc11lым связям
Ее t"'\ i
!
I
I
H C \.AAJ
f"'tj'f"\
I
I
I
Hev.AJ
rv;v"
I
Рис. 3.4. Образование помех при замыкании на зеМJПO
....... I (r)
работ. Очевидно, что напряже
ние помехи, наводимое в слабо
точной цепи будет равно: и п ==
== Е п Z з /(Zн+ Zз), rдe Z3 co
противление цепи через землю.
Снижению уровня TaKoro рода
помех блаrоприятствует только
увеличение сечения шины зазем
ления. Однако, и увеличение ce
чения общей шины может OKa
заться неэффективным в случае
высокочастотных помех, коrда
начинает проявляться индук
тивный характер сопротимения
шины. Кардинальное решение
проблемы защиты от проникно
вения помех по земле это за
земление слаботочных цепей
только в одной точке (рис. 3.2, б).
Электростатическая (eМКOCT
пая) связь электрических цепей.
ПаразИПIая связь этоro вцца rлав
ным образом возникает в схемах с
коmypами с большим сопротив
лением, Korдa проводники таких
цепей rенерируют и Воспринима
ют электрические поля. Помехи
между цепями TaKoro рода еще
называют перекрестными. Наиб<r
лее неблаroприятным случаем яв
ляется близкое расположение
проводников разных цепей на
значительном расстоянии.
Напряжение помехи U П на
входе приемника (рис. 3.3) опре
деляется разностью токов /пl ,
/п2, создаваемых источником
помехи En за счет перекрестных
емкостных связей проводов ЭТИХ
двух цепей. Помеха на входе при
емника (на Rsx ) будет равна:
ил == (/пl /п2) Rsx ==
== Е п Rвx/[R вx + k(1 / C)],
rдe k (1 / C) слаrаемое, зави
сящее от разности емкостей про
BOДOB C
Разность отмеченных токов
обусловлена асимметрией пара
зитных емкостей между ПрОВОk
никами рассматриваемых цепей.
Эффективные способы борьбы
с помехами этоro рода скрутка
проводов и применение электро
статических экранов. Скрутка
способствует выравниванию eM
костей между проводами, т. е.
стремлению C к нулю, а экра
нирование уменьшает емкость
связи как таковую. Отсюда сле
дует, что нежелательно исполь
зовать для образования канала
связи жилы из разных кабелей.
Ин.цyкmвная связь. Этот тип
связи характерен для цепей с
малым сопротивлением. Чаще
вcero индуктивная связь прояв
ляется при замыкании на землю в
трехфазных сетях. При между
фазных К3 внешнее поле тpex
фазной линии относительно мало
45
вследствие близкоrо расположе
ния проводов и равенства нулю
суммы фазных токов. При замы
кании на землю (рис. 3.4) 06pa
зуется контур протекания тока
больших rеометрических разме
ров. В сетях с эффективно зазем
ленной нейтралью в таких KOНТY
рах протекают очень большие TO
КИ, наводя помехи в рJЩом распо
ложенных электрических цепях.
Как и в случае емкостной связи
цепей, уровень наводимой поме
хи определяется разностью взаи
моmщyкции проводов сла6оточ
ной цепи по отношению к силь
ноточному контуру. Наибольший
уровень наводимой помехи Ha
блюдается в контуре с малым co
противлением. для борьбы с по
мехами, наводимыми за счет ин
дуктивной связи, используют все
мероприятия, paccMoтpeННbIe для
случая элекrpocтaтической связи.
Как видно, помехи попадают
на линию связи разными пyrями.
В реальной ситуации проявляюr
Е, ,p1 Н.
koc=7:1 4
а}
Ее
kor:<= ('/+8900}:7
6)
....
Кос> J500:1
д)
ся одновременно все виды пара
зитной связи.
3.2.2. ЭффеКТИВНОСТЬ
экранироввния кабелей связи
Экранирующее действие Me
таллической оболочки кабеля
объясняется тем, что в ней HaBO
ДЯТСЯ токи, создающие поле, KO
торое компенсирует вызьmающее
их внешнее поле. для эффектив
Horo экранирования толщина
стенок экрана должна быть соиз
мерима с длиной волныI электро
мarнитноrо поля в веществе эк
рана. Например, на промышлен
ной частоте f == 50 [ц медный
экранэффективенлишьпритол
щине стенок 6 см, а железныIй
при толщине 4,5 мм; на частоте
500 юц для медноrо экрана это
составит около 0,6 мм, а для же
лезноrо 0,05 мм. Несмотря на
очевидные достоинства ферро
маrнитных экранов, на практике
при меняют экраны из хорошо
проводящих материалов, так как
маrнитная проницаемость фер
Е, <€t Ш Q н,
koc = (2":;-'22): 1
.". 5) -::
Н"
... ........ ,......... ,........... '*
х х )1 1с
............"-................."" .....
R H
Кос = (17'1): 1
.... 2)
.".
R"
Н Н
koc 25:7
е)
.".
46
Рис. 3.5. ЭффеК11lВllOC1Ъ различных экранов
ромаrнитных веществ сильно за
висит от нanр енности внеIШfе
ro поля. При насыщении ферро
маrнитноrо экрана ero экрани
рующие свойства резко ухудша
ются.
Кабели с экранами из HeMar
нитноrо материала наиболее эф
фективны при защите от электро
статических и высокочастотных
электромаrнитных полей. для за
щиты от низкочастотных элек
тромаrнитных полей потребова
лись бы толстостенные ферро
маrнитные экраны, что практи
чески невьmолнимо при протя
женных трактах передачи. От
этих полей, как уже отмечалось,
защищаются скрyrкой жил кабе
ля, что уменьшает площадь KOH
1УРа, образуемоrо жилами, и BЫ
равнивает перекрестные емкости
и взаимоиндуктивности прово
дов. Но, так как часто помехами
являются rpозовые и коммутаци
онные перенапряжения, пред
ставляющие собой KpaTKOBpe
менные импульсы и ВЧ колеба
ния, то применение немаrнитных
экранов оправдьmается, так как
основная энерmя таких помех
сосредоточена в высокочастотной
области.
Эффективность действия эк
ранов существенно зависит не
только от частотноrо спектра по
мехи, но и от схемы их заземле
ния, расположения жил кабеля
внутри экрана. На рис. 3.5 пред
ставлены различные варианты
соединения источника сиrнала
Ее с приемником (наrpузкой )
И приведены коэффициентыI oc
лабления помехи. Схемы и их xa
рактеристики заимствованы из
[14]. В качестве исходноrо случая
выбран простейший, коrда кa
бель содержит один сиrнальный
провод (рис. 3.5, а). Снижение
уровня наводок в схемах на
рис. 3.5, б z обусловлено yмeнь
шением эффективной площади
контура рабочеrо сиrнала. По
этой причине в качестве провод
ников измерительной цепи сле
дует применять жилы, принадле
жащие одному контрольному кa
белю, и ни в коем случае не при
менять жилы разных кабелей.
При незаземленных источнике
или наrpузке (рис. 3.5, в, д) по
лезный сиrнал распространяется
по обратному проводу или экра
ну кабеля, что уменьшает эффек
тивную площадь контура и тем
самым уровень помех. Если ток
экрана искажает рабочий сиrнал,
экран следует заземлять в одной
точке: у источника для уменьше
ния излучаемых помех, или у Ha
rpузки для снижения уровня BOC
принимаемых помех. Экраны кa
белей высокочастотных сиrналов
заземляют у концов и не менее
чем через каждые 0,2 л (л дли
на волныI электромаrнитноrо по
ля) вдоль ихдлиныI.
Следует отметить, что про
кладка линии связи даже неэкра
нированным контрольным кабе
лем вблизи хорошо заземленноrо
проводника (шиной заземления,
металлоконструкциями и т. п.)
способствует снижению уровня
наводимых помех.
В энерrетике требования без
опасности диктуют свои нормы
в части заземления экранов кa
белей. Практические peKOMeндa
ции по защите вторичных цепей
электрических станций и под
станций от действия импульсных
помех содержатся в методических
указаниях [15].
Хотелось бы отметить, что в
системах защитыI на базе электро
47
R BJI
";'
';
Рис. 3.6. Подача тecroвыx воэдейC11lИЙ на
аппарa1y)lУ
механических реле не использо
вались экранированные кабели.
Помехозашишенность достиrа
лась за счет относительно BЫCO
ких уровней информационных
сиrналов, определенных практи
кой эксплуатации. Цифровые
реле, если они не ЯRЛяюrcя Ka
кими TO особочувствительными
или вьmолнены на каких то He
традиционных принципах защи
ты не должны предъявлять oco
бы требований к зашите линий
связи от внешних электромалшт
ных полей. это отмечено в peKO
мендациях фирмы "АББ Реле
Чебоксары" по защите их обору
дования от электромаrнитных
воздействий [16J. Однако в усло
виях ПОВЬПlIенноrо уровня элек
тромаrнитных помех при плохих
котурах заземления применение
экранированных кабелей может
быть оправдано.
3.2.3. Испытания аппаратуры
на помехозащищенность
ВВlЩYтоro, чroучecrьвсе пара
зитные связи меЖдУ различными
цепями реальноrо устройства
практически невозможно, един:
ственным критерием должнои
помехозащишенности аппарату
ры MOIyr бьпъ только ее натурные
48
5}
испьпания. Причем эти испьпа
ния должны проводиться по еди
ным нормам, чтобы можно бьто
сопоставлять оборудование раз
ных фирм.
В части испытаний измери
тельных реле и зашитноrо обору
дования во всем мире придержи
ваюrcя рекомендаций МеЖдУНа
родной Электротехнической Ko
миссии (МЭК). Рекомендации
МЭК в отношении помехостой
кости отражены в нормах: МЭК
255 22 1, МЭК 255 22 2, МЭК
255 22 4. В какой то мере поме
хостойкость оборудования прове
ряется и по нормам МЭК 255
"Испытания диэлектрическои
прочности изоляции". PeKOMeH
дации и нормы МЭК лежат в oc
нове большинства национальных
стандартов.
Следует отметить, что под
твержпение заявляемых разработ
чиками тех или иных характерис
тик выпускаемой аппаратуры
дают лишь независимые серти
фикационные центры, распола
raющие соответствующим испы
тательным оборудованием. При
этом мноrие сертификационные
центры специализируются на ис
пьпаниях только определенноrо
вида. В части помехозашишен
ности в европейских странах наи
более известен сертификацион
ный opraH КEМA IEV.
В соответствии с нормами
МЭК, при испьпаниях тестовые
воздействия прикладываются
между любыми независимыми
входами устройства (рис. 3.6, а) и
меЖдУ каждым входом и землей
(рис. 3.6, 6). все зажимы, принад
лежащие одному входу, при этом
закорачиваются. В нормах МЭК
подробно оroвариваются пара
метры источников сиrналов и Me
u,o;.
100
. О т ах = 2,5 кВ
f=IHrq
,., J
о
j , \ 1 t
t=6HtrC
Т п о 8 т=2.SНС
trt'cra =2с
Рис. з. z ВЫСОКОЧ3CТ011fое тестовое вщдейC'l1llle
тодика испьпания. Ниже мы pac
смотрим лишь наиболее важные
моменты в части проверки поме
хозащищенности реле.
Испьrrание на высокочастот-
ные помехи (МЭК 255-22 1). Pe
комендуемое тестовое воздейст
вие имитирует помехи KOммyra
ционноro происхожцения. Пачки
затухающих высокочастотных KO
лебаний возникают при включе
нии или отключении линий в
электрических сетях и при oднo
фазных замыканиях. Частота KO
лебаний, rенерируемых сетью,
может изменяться от единиц rерц
до десятков и сотен rиrareрц. Все
зависит от соотношения распре
деленных индуктивностей и eM
костей сети в кажцом конкретном
случае. В качестве испьпательно
ro воздействия приняты наиболее
реальные колебания, параметры
которых приведены на рис. З. 7.
Испытание на электростати
ческий разряд (МЭК 255 22-2).
При этом испытании внешний
электрический заряд переносится
на устройство либо через воздуш
ный промeжyrок (исходный по-
тенциал 8 кВ), либо через контакт
(исходный потенциал 6 кВ).
и
и",ах =('I,S 5,O)Jr8
tф 1.2НКt:
tNH.E,fOHKC t
Рис. З.8. Имиraция lП1\tосфериых переиап
ряжеlПlЙ
Испьrraния кра1ХовремеШIЫМИ
импульсами (МЭК 255 22-4).
Этот вид тестирующеro воздейст
вия также выбран из практичес
ких соображений. Импульсы, по
добные приведенным на рис. З.8,
наводятся в жилах контрольных
кабелей под воздействием rpозо
BbIX разрядов. для rpoзовых им-
пульсов характерен крутой фронт
и относительно медЛенный спад.
Однако, тестовые импульсы име
ют срез и на спаде, что имитирует
работу искровых разрядников,
устанавливаемых на линиях ДJIЯ
борьбы с rpозовыми перенапря
жениями. Обычно подается по
три импульса разной полярности
с интервалом 5 с.
49
Испытания диэлектрической
пpoчнocпt изоляции (МЭК 255 5).
При испьпiнии используется Ha
пряжение 2 кВ промьшшенной
частоты, подаваемое на оборудо
вание в течение 1 мин. Эro испы
тание фактически дает rарантию
безопасности обслуживания ycт
ройства, а не проверяет ею поме
хостойкость. На прaкrnке, подоб
ным воздействиям аппаратура
подверraется в случае ее непра
вильною подключения, переноса
потенциалов из смежных цепей и
т. д. Таким образом, этот тест в
какой то мере характеризует и
помехостойкость аппаратуры.
3.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЦИФРОВЫХ РЕЛЕ В КАЧЕcrвЕ
1ЕРМИНАЛОВ АСУ m
Цифровые устройства РЗ ce
rодня становятся частью aBTO
матизированных систем управле
ния технолоrическим процессом
(АСУ ТП).
rлавными функциями АСУ
ТП являются отображение тexнo
лоrическою процесса (на MHe
I пOHOll/b I ю ж н А Я
фо!
ТА!
.t sal
мосхемах, в средствах сиrнализа
ции об аварийных ситуациях и
т. п.), ведение отчетов и обеспе
чение связи оператора с управля
емым им процесс ом. АСУ m яв
ляются системами реальною Bpe
мени и в настоящее время cтpo
ятся на основе персональных и
специализированных устройств,
с помощью которых обеспечива
ется связь с датчиками информа
ции, обработка получаемой ин
формации и представление ее в
удобном виде для дИспетчерскоrо
управления.
С позиций АСУ m цифровые
устройства РЗ являются оконеч
ными устройствами, т. е. терми
налами. Поэтому иноrда цифро
вые устройства РЗ назьmают pe
лейными терминалами.
Проrpаммное обеспечение для
АСУ ТП непрерывно совершен
ствуется. Рабочие проrраммы
АСУ ТП создаются из ютовых
библиотечных функций с ис
пользованием простых языков
проrpaммирования. Например,
создание рабочею окна на экране
/(Р!I 6 кВ
50
Рис. 3.9. Вывод информации наДИСWIей
ПЭВМ (рис. 3.9) включает He
сколько этапов:
со:щание статическоro изобра
жения рабочеro окна;
формирование динамических
объектов рабочеro окна;
обработку информации: фор
мирование отчетов, построение
треIЩОВ и т. д. ТреlЩ это rpафи
ческое отображение изменения
параметра процесса во времени.
Рассмотрим этот процесс по
дробнее.
Статическое изображение pa
6очеro окна включает фон (мнe
мосхему объекта), неизменные
надписи и т. п. для со:щания cтa
тическоro изображения, как пра
вило, используются внеlШIИе rpa
фические редакторы, например
Paint Brush, а rOТOBoe изображе
ние затем передается в общий
проrpаммный пакет.
Динамические объекты со:ща
ются при помощи специализиро--
ванноro rpафическоro редактора,
также построенноrо на основе
использования библиотечноrо
принципа. Внешний виддинами
ческих объектов может изменять
ся в зависимости от фактическоro
состояния отображаемоro объек
та. Например, в поле выклча
теля формируется изображение
либо зaмкнyrоro, либо разомкну
Toro контакта. Динамическим
объектам присваиваются лоrи
ческие имена, под которыми они
фиrypируют в aлroритме управле
ния. При использовании типовых
проrраммных пакетов проекти
ровщик АСУ путем ответов на BO
просы ПЭВМ осуществляет при
вязку лоrических имен динами
ческих объектов к конкретным
первичным устройствам BBoдa
вывода информации (реле, Tep
миналам и т. п.).
для описания алroритмов уп
равления применяются либо спе
циализированные языки с ис
пользованием библиотеки лоrи
ческих функций (типа И, ИЛИ и
т. д.), либо простые языки BЫCO
KOro уровня, например, ВЛSI С.
Обычно библиотеки проrpамм
HOro обеспечения для АСУ m co
держат типичный набор функций
для реализации:
opraнoB управления (выклю
чателей, разъединителей и т. п.);
экранных элементов для oтo
бражения параметров процесса (в
виде цифровых или аналоrовых
ИНдикаторов и табло);
возможности со:щания и Beдe
ния архивов собыrий и аварий, а
также отслеживания параметров
процесса с выборкой значений
через заданные промежyrки Bpe
мени;
представления информации в
удобном для оператора виде, Ha
пример, rистоrpаммами или Bpe
менньiми rpaфиками;
средств защиты от несанкцио
нированноro доступа в систему с
использованием паролей и т. п.
Мноrие фирмы специализи
руются на разработке проrpамм
для АСУ т. В области электро
энерrетики в России известна
продукция COBMecmoro предпри
ятия "АББ Реле Чебоксары".
Это предприятие, базируясь на
разработках фирмы "АВВ" , пред
лаrает комплексное решение за
дач по автоматизации электри
ческих сетей. "АББ Реле Чебок
сары" поставляет и цифровые
устройства РЗ, которые MOryr ис
пользоваться как терминалы, и
специализированные устройства
сбора и передачи информации, и
проrраммное обеспечение для
Асут.
51
Наиболее полное решение
задач по aвroматизации производ
ства и распределения элекrpoэнер
rии обеспечивает MicroSCADA.
MicroSCADA является систе
мой реальноro времени. Система
строится на базе IВМ совмести
мых ЭВМ. Последняя версия
проrраммноro обеспечения раз
работана для работы под управ
лением операционной системы
Windows NТ. Процесс проrрам
мирования максимально прибли
жен к пользователю.
Наряду с универсальным
проrраммным пакетом типа
МicroSCADA "АББ Реле Чебок
сары" предлаrает rOТOBbIe типо
вые решения, обеспечивающие
минимальные затраты на aвroMa
тизацию технолоrических про
цессов:
SCS (Substation Control Sys
tem) система управления пере
дающими и распределительными
сетями. Эro, по сyrи дела, типо
вое решение проrраммы Mi
croSCADA для автоматизации
электрических подстанций;
SMS (Station Monitoring Sys
tem) система наблюдения, по
зволяющая считывать и записы
вать данные в цифровые терми
налы и реле серий SP АСОМ,
REL, RET, REF.
3.4. ТEXIШЧEСКОЕ
ОБCJIYЖИВAlШЕ
ЦИФРОВЫХ РЕЛЕ
Все виды техническоro 06слу
живания, проrpаммы и перио
дичность их проведения реrла
ментируются правилами техни
ческоro обслуживания устройств
релейной защитыI и автоматики
[17 19]. Требования к техничес
кому обслуживанию KOнкpeтнOro
52
устройства РЗА (объемы, перио
. дичность и методы обслужива
ния) определяются ero изrотови
телем и включаюrcя в ТЗ, ТУ и
инструкции по эксплуатации. как
правило, подrотовка цифровоro
устройства РЗА к работе предус
матривает внешний осмотр, про
верку сопротивления изоляции,
выставление и проверку уставок,
тестовую проверку в cooтвeтCT
вии С ТО.
Однако, цифровые устройства
защитыI более информативны и
существенно отличаюrcя по KOH
структивному исполнению от их
аналоroвых предшественников.
Так, высокая плотность монтажа,
использование мноrослойных пе
чатных плат, отсyrcтвие принци
пиальных схем и полной инфор
мации по алroритмам функцио
нирования узлов делает цифро
вые устройства защиты peMOНТ
но приroдными только до уровня
отдельных конструктивных MO
дулей. Встраиваемые системы
самодиаrностики и контроля, как
правило, выводят на дисплей код
неисправности, что упрощает
поиск поврежденноro узла. Oд
нако, даже самые совершенные
принципы не MOryт обеспечить
l00% ный самоконтроль. Поэто
му микропроцессорные устройст
ва также должны подверrаться
техническому обслуживанию с
участием персонала.
Блаrодаря высокой информа
тивности цифровых устройств
РЗА, их неисправность и неис
правности в цепях измеритель
ных трансформаторов, приводов
выключателей может быть обна
ружена косвенными способами.
Так, практически все цифровые
устройства Moryт предоставить
инФормацию о контролируемых
величинах, входных и выходных
сиrналах управления. Анализируя
эти данные, можно своевременно
обнаружить обрьmы во входных и
выходных цепях. По информа
ЦИИ, запоминаемой в аварийных
режимах (численные значения
токов КЗ, время запуска тех или
иных измерительных opraHoB и
т. Д.), можно убедиться в пра
вильном соrласовании уставок
как данноrо устройства РЗА, так
и защит смежных участков. Еще
большие возможности для по
добноrо анализа открываются
при включении устройств РЗА в
АСУ т, коrда вся необходимая
информация может бьпь получе
на оперШ'Ивно из разных источ
ников.
Традиционный способ про
верки устройства РЗА пyreм по
дачи внешних сиrналов от YCT
ройства проверки с контролем
основных параметров релейных
opraHoB (пороrа срабатывания,
коэффициента возврата, времени
срабатьmания и т. д.) также упро
щается, если это устройство
микропроцессорное. Во первых,
малое потребление по цепям тока
и напряжения позволяет aВТOMa
тизировать процесс проверки,
используя такие устройства как
RETOM (фирма "Динамика",
Россия) и FREJA (фирма "Рro
gramma", Швеция). Эro оборудо
ванне сводит к минимуму участие
человека в проведении проверки
и оформлении отчетности. К
тому же сохранение результатов
проверки в виде файлов позволя
ет леrко сопоставлять результаты
проверок, проведенных в разное
время. Следует отметить и то
стоятельство, что уставки цифро
вых реле леrко MOryт бьпь полу
чены через ЭВМ и, при необхо
пимости, оформлены в виде дoкy
мента.
При работе с микропроцес
сорными устройствами РЗ следу
ет принимать все меры, исклю
чающие поврежцения электрон
ных компонентов статическим
электричеством. При ремонте ап
паратура должна располаrаться
на заземленном токопроводящем
столе. Тело ра6отающеrо должно
иметь потенциал стола, что обыч
но обеспечивается с помощью за
земленноrо кольца или браслета.
Такие меры защиты обусловлены
тем, что электрический зарЮ1, Ha
ходящийся на теле человека, спо
со6ен разрушать полупроводни
ковые структуры. Причем стати
ческое электричество может и не
вызвать выход изделия из строя
сразу же, но предрасположит это
изделие к отказу в будущем.
И еще один важный момент в
обслуживании микропроцессор
ных устройств: ни в коем случае
не следует paccтыквыыать и co
стыквьшать разъемные соедине
ния блоков устройства, Korдa оно
находится под напряжением. Это
обусловливается не столько coo6
ражениями техники 6езопаснос
ти (уровни напряжения в микро
процессорных устройствах, как
правило, не преВЬШIают 36 В), а
весьма высокой вероятностью
выхода интеrpальных микросхем
при несоблюдении очередности
подключения внешних цепей.
Общее правило следующее: на
микросхему должно бьпь подано
сначала напряжение питания и
только затем входные сиrналы.
В момент расстыквки и CThIKOB
ки разъемов это условие часто не
выполняется, что и при водит К
повреждениям оборудования.
53
Список литературы
1. КадОНСКИЙ э. Цифровое пред
ставление сиrналов связи/ Связь:
Средства и способы// Радио. 1996.
NQ 12. с. ш.
2. Хоровец П., хилл У. Искусство
схемотехники: В 3 x томах: Пер. с
анrл. 4 e и:щ. М.: Мир, 1993.
3. Тутевич В.Н. Телемеханика:
Учеб. пособие для вузов. 2 e и:щ.,
перераб. и доп. М.: Высш. школа,
1985.
4. Тули М. Справочное пособие
по цифровой электронике: Пер. с
aнrл. М.: Энерrоатоми:щат, 1990.
5. Оокоси Т. Оптоэлектроника и
оптическая связь. Пер. с японск. М.:
Мир, 1988.
6. SPA bus/ Communication Proto
соl. У2.4// Лsеа Brown Вoveri. 34 SPA
СОМ 2 ENI С. 1992 02 21.
7. fоноровский и.с. Радиотехни
ческие цепи и сиrналы: Учеб. для
вузов. 4 e и:щ., перераб. идоп. М.:
Радио и связь, 1986.
8. Ванин В.К, Павлов [.М. Pe
лейная защита на элементах вычс
лительной техники. 2 e и:щ., пере
раб. и доп. л.: Энерrоатомиздат,
1991.
9. Сыромятников И.А. Режимы
работы асинхронных и синхронных
двиrателей. М.: Энерrоатомиздат,
1984.
10. Короrодский В.И., Куж
ков СЛ., Папероо Л.Б. Релейная за
щита элекrpодвиraтелей наnpяжени
ем вьnuе 1 кВ. М.: Энерrоатоми:щат,
1987.
11. Motor protection relay SPAМ
150 С//Лsеа Brown Boveri. 34 SPAМ 8
ENI F. 1993 05 10.
54
12. Application examples for the
("еlау SPAМ 150 С//Лsеа Brown Вoveri.
350 SPAМ 04 ENI В. 1993 11 19.
13. Бa'lpаков А.И. Токовая защи
та с зависимой от тока выдержкой
времени // Элекrpические станции.
1993. NQ 9. С. 57 0.
14. Барнс дж. Электронное KOH
струирование/ Методы борьбы с по
мехами.: Пер. с aнrл. М.: Мир, 1990.
15. РД З4.20.116 9З. Методичес
кие указания по зашите вторич
НbIX цепей элекrpических станций и
подстанций от импульсных помех.
УтвеРЖдены Департаментом науки
и техники РАО "ЕЭС России"
29.06.93.
16. Рекомецдацнн по защите от
элекrpoмаrнитных во:щействий обо
рудования цифровых терминалов
ЛБЕ на электрических станциях и
подстанциях. Ред. 1.1. Чебоксары:
ЛБЕ Реле Чебоксары, 1996.
17. РД З4.З5.61З 89. Правила тex
ническоrо обслуживания устройств
релейной защиты и электроавтома
тики элекrpических сетей 0,4 35 кВ.
М.: СПО Союзтехэнерrо, 1989.
18. РД З4.З5.617 89. Правила Tex
ническоrо обслуживания устройств
релейной защиты, электроавтома
тики, дистанционноrо управления
и сиrнализации электростанций и
подстанций llO 750 кВ. М.: СПО
Союзтехэнерrо, 1989.
19. РД З4.З5.ЗlO 97. Общие тex
нические требования к микропро
цессорным устройствам защиты и
автоматики энерrосистем. М: СПО
оРrРэс, 1997.
Содержание
Предисловие .................................................................................................. 3
1. Anпарamая чаС'П> цифровых устройств защиты и DТOмa11IКII................. 4
1.1. Стрyкrypная схема цифровоro устройcrвa защиты...................... 4
1.2. Устройство микроЭВМ ................................................................. 6
1.3. Входные преобразователи аналоroвых сшналов ......................... 8
1.4 Tpaкr аНалоro цифровоro преобразования.................................. 10
1.5. Входные преобразователидискретных сшналов ......................... 12
1.6. Выходные релейные преобразователи.......................................... 13
1.7. CpeДcrвa oroбражения информации В цифровых реле................ 14
1.8. Орraны Mecтнoro управления реле ............................................... 15
1.9. Хранение информации В цифровых устройствах......................... 16
1.10. Блок питания ................................................................................. 18
1.11. Интерфейсы цифровых устройств................................................ 19
1.12. Проводные каналы связи .............................................................. 22
1.13. Волоконно оmические каналы передачи информации.............. 25
2. ОсобеlUlOC'Пl обрабaпat информации в цифровых реле ........................... 27
2.1. Основные характеристики цифровых реле .................................. 27
2.2. Собственное время срабатывания цифровых реле ...................... 27
2.3. Фильтрация сиrналов в цифровых реле ....................................... 28
2.4. Фильтры симметричных составляющих....................................... 31
2.5. Работа реле при насьпцении трансформатора тока ..................... 32
2.6. Защита от переrpузок .................................................................... 33
2.7. OrстроЙI<a токовой отсечки от пусковых режимов ...................... 39
3. ОсобеlUlOC'Пl эксплуатации цифровых устройств защип.1........................ 40
3.1. Надежность функционирования сиcreм с цифровыми реле....... 40
3.2. Помехозащищенность цифровых реле ......................................... 42
3.2.1. Проникновение помех в реле и линии связи........................... 43
3.2.2. Эффективность экранирования кабелей связи .................... 46
3.2.3. Испытания аппаратуры на помехозащищенность .............. 48
3.3. Использование цифровых реле в качестве терминалов
АСУ ТП .......................................................................................... 50
3.4. Техническое обслуживание цифровых реле................................. 52
Списоклитера1УР ы ...........,............................................................................ 54
&n&nnотечкаJnектРотехнnка
Приложенuе " производственно массовому :НСУРНШlУ "Энерzетu,, "
ШМУРЬЕВ ВАЛЕIПИНЯКОRЛЕВИЧ
Цифровые реле зaщиrы
АДРЕС РЕДАКЦИИ:
109280, Москва, ул. Aвroзаводская, 14/23
Телефоны: 275 19 06; 275 OO 23 доб. 22 47
Научный peдaкrop В.И. Пумев
Редакторы ЛЛ. Жп:анова, Н.В. оJIышIIIcюIя
Художлехн. peдaкrop т.ю. Ацпреева
Koppeкrop З.Б. .lIpaнoвcкaя
Сдано в набор 27.10.98 Подписано в печать 01.12.98
Формат 60><88 У16. Печать офсетная.
Печ. л. 3,5. тираж 600 экз. заказ S6 Ч
Макет въmолнен АО "Знак": 103012. Москва, Б. Черкасский пер., 2/10
Orпечатанотипоrpaфией МЭИ: 111250, Москва, ул. Красноказарменная. 13.
Книrи по электроэнерrетике
Научно учебный центр "ЗНАС" при АО 8НИИЗ
предлаrает следующие книrи.
1. Цветков В.А. Диаrностика мощных reHepaTopoB. 1995,
231 с.
2. Воротницкий В.З., Люблин А.С. Использование по
терь силовых трансформаторов для экономии электро
энерrии на подстанциях. 1995, 170 с.
3. Левиуw А.И., Дони И.А., Надель Л.А., Наумов А.М.
Высокочастотная направленная и дифференциально
фазная защита ПДЭ2003 дЛЯ вл 500---.-750 кВ (релейная
часть). 1996,200 с.
4. Алексеев Б.А. Определение состояния (диаrностика)
крупных турбоrенераторов. 1997, 140 с.
5. Синьчуrов Ф.И. Надежность электрических сетей энер
rосистем. 1998,382 с. (мемориальное издание).
6. Объем и нормы испытаний электрооборудования/
Под общей ред. Б.А. Алексеева, Ф.Л. KoraHa, Л.r. Мами
конянца. 6 e изд. 1998, 256 с.
7. Алексеев Б.А. Определение состояния (диаrностика)
крупных rидроrенераторов. 1998, 128 с.
8. Семенов В.А. Оптовые рынки электроэнерrии за рубе
жом. Аналитический обзор. 1998, 192 с.
9. Сборник нормативных и методических документов
по измерениям, коммерческому и техническому учету
электрической энерrии и мощности. 1998, 480 с.
За справками и с заявками обращаться по адресу:
115201, Москва, Каширское шоссе,
дом 22, корп. з. НЦ ЗНАС.
Контакт с отделом распространения
научно технической литературы
по тел./факсу (095) 11 З 5З-90.
,,,О ""
"\ r
f1 " .
06 авторе
Валентин Яковлевич Шмурьев
кандитат те хн. наук, специалист
в области релейной защиты
и автоматики. Имеет 10 авторских
свидетельств на изобретения
и более 30 печатных работ
В.Я. Шмурьев доцент кафедры
"Релейная защита и автоматика
электрических станций, сетей и
энерrосистем" Петербурrскоrо
энерrетическоrо института повы
шения квалификации руководя
щих работников и специалистов
Минтопэнерrо РФ
Переход к цифровой системе
обработки информации в устройствах
релейной защиты и автоматики
существенно улучшает эксплуатационные
качества реле, что делает
цифровые устройства конкурентоспособными
на рынке традиционной аппаратуры