Алгоритмы автоматической проверки дискретных входов микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики

Введение

Цепи приёма внешних дискретных сигналов устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) необходимы для получения логической информации о состоянии внешних элементов и аппаратуры, с которыми устройство РЗА работает совместно в общей системе управления, регулирования и защиты. Такая информация передается на устройства релейной защиты посредством внешних контактных цепей: блок-контактов высоковольтных выключателей, разъединителей, ключей управления, автоматики, устройств релейной защиты смежных присоединений и т.д. [1]. В современных микропроцессорных (МП) устройствах РЗА ввод дискретных сигналов осуществляется посредством преобразователей на основе оптронов. Данные преобразователи называются дискретными входами (ДВ). Далее рассматриваются ДВ МП РЗА на оперативном напряжении 220 В постоянного тока.

К параметрам ДВ МП устройств РЗА предъявляются требования стандартов организации (СТО) [2, 3] приведённые в таблице 1.

Таблица 1. Параметры дискретного входа
	Наименование параметра	Значение
1.	Напряжение срабатывания, В	158-170
2.	Напряжение возврата, В	132-154
3.	Аппаратная задержка срабатывания, мс	3-5
4.	Входное сопротивление при закрытом рабочем состоянии, кОм	8-60
5.	Количество электричества импульса режекции в течение аппаратной задержки, не менее, мкКл	200
6.	Напряжение запуска импульса режекции (для ДВ с задержкой срабатывания менее 5 мс), В	143-154
7.	Напряжение выключения импульса режекции (для ДВ с задержкой срабатывания менее 5 мс), В	143

Проверка характеристик ДВ должна выполняться при пусконаладочных испытаниях – выборочно для одного-двух ДВ каждого типа устройств МП РЗА, используемых на подстанции [2] и при аттестации [3] МП терминалов РЗА.

Перечень проверок ДВ включает:

определение напряжения срабатывания и возврата;
определение времени аппаратной задержки;
проверку несрабатывания при напряжениях ниже минимально допустимого напряжения срабатывания;
проверку несрабатывания при максимальном напряжении, продолжительностью менее минимального времени аппаратной задержки;
проверку срабатывания при минимальном гарантируемом напряжении срабатывания, продолжительностью более максимального времени аппаратной задержки;
проверку униполярности дискретного входа;
проверку отсутствия возврата при снижении напряжения, приложенного к ДВ, до значения, превышающего нормируемое напряжение возврата;
проверку возврата ДВ при снижении напряжения, приложенного к ДВ, до значения ниже нормируемого напряжения возврата;
определение программной регулировки времени задержки срабатывания ДВ;
определение параметров режективного импульса тока;
определение входного сопротивления дискретного входа в несработанном состоянии (дежурный режим).

Для определения параметров ДВ в СТО [2] предлагается использование генератора двухступенчатых импульсов и осциллографа, регистрирующего входные напряжение и ток, а также сигнал на выходе ДВ. В СТО [3] рассматривается применение для испытаний ДВ приборов типа СМС256plus и FLUKE 123 или функционально аналогичных.

В качестве альтернативы зарубежным приборам, а также автоматизации проверки требуемых параметров ДВ, предлагается использование компьютерно-управляемой испытательной системы типа РЕТОМ-51/61/71, которая выполняет функцию генератора испытательных воздействий, регистратора дискретных сигналов, двухканального аналогового измерителя и осциллографа с точностью 0,1% [4]. Одна из схем испытаний ДВ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема испытаний ДВ с применением РЕТОМ-51/61/71

Для доступа к выходному сигналу ДВ МП терминала РЗА в СТО [3] предлагается перед проведением испытаний перепрограммировать выходные сигналы ДВ, подлежащих проверке, на одно из выходных реле испытуемого терминала.

Программное обеспечение (ПО) приборов РЕТОМ-51/61/71 поддерживает функцию работы с протоколом MMS (МЭК 61850-8-1) [5], что позволяет выполнять оценку состояния ДВ по отчётам (Reports) в АСУТП, передаваемым по сети Ethernet. Использование MMS-отчётов позволяет выполнять проверки современных МП УРЗА без переконфигурирования (изменения настроек выходных реле, параметров срабатывания и т.д.), что особенно актуально при пусконаладочных испытаниях на подстанциях.

Рис. 2. Схема испытаний ДВ с использованием MMS-отчётов

При испытаниях, предусматривающих проверку параметров ДВ в динамических режимах, генерируются последовательности импульсов напряжения с требуемой величиной и длительностью, форма которых приведена на рис. 3.

Рис. 3. Типовая форма сигнала напряжения для проверки ДВ

Алгоритмы автоматической проверки параметров ДВ, исключающие использование дополнительного измерительного прибора (осциллографа), реализованы в ПО испытательных приборов типа РЕТОМ-51/61/71 на основе программных модулей генерации заданных тестовых воздействий («Генератор последовательностей») и измерения аналоговых сигналов («АЦП»), сведённых в общий шаблон проверки ДВ (рис. 4).

Рис. 4. Шаблон программы автоматической проверки ДВ в соответствии с СТО [3]

Определение напряжения срабатывания и возврата, проверки несрабатывания и отсутствия возврата ДВ, оценка времени аппаратной и программной задержки ДВ выполняются стандартными тестовыми алгоритмами поиска соответствующих параметров [4]. Пример настройки условий генерации последовательных импульсов в соответствии с требованиями СТО приведён на рис. 5.

Рис. 5. Пример настройки параметров тестовых воздействий в программе «Генератор последовательностей»

Отдельный интерес и сложность при автоматизации проверки ДВ представляет определение параметров импульса режекции и внутреннего сопротивления, схемы испытаний которых отличаются от проверок остальных параметров.

Импульс режекции ДВ (импульс тока, формируемый ДВ при подаче управляющего воздействия) предназначен для снижения переходного напряжения отстройки от переходных процессов, связанных с перезарядом ёмкостей системы оперативного постоянного тока и, дополнительно, способствует прожигу окисной пленки контактов. Методика проверки количества электричества в режективном импульсе, соответствии с СТО [3], выполняется подачей на ДВ импульса напряжения с увеличенной на 5 В амплитудой напряжения срабатывания испытуемого ДВ с длительностью более 1 с. Схема данной проверки предусматривает последовательное подключение к ДВ калиброванного резистора (шунта) сопротивлением 20 (или 200) Ом. Напряжение на шунте осциллографируется и расчётно преобразуется в количество электричества.

Предлагается алгоритм проверки ДВ с использованием РЕТОМ-51/61/71 в соответствии со схемой на рис. 6, при котором выполняется пуск аналогового входа (далее – АЦП) испытательного устройства по старту выдачи тестового воздействия на заданное время. Далее, по измеренному напряжению на шунте, программно вычисляется величина количества электричества, которая должна обеспечить импульс режекции.

Рис. 6. Схема испытаний при определении параметров режективного импульса тока»

По данным измерений напряжения u, зарегистрированных АЦП за заданный промежуток времени, с периодом дискретизации 100 мкс, измеряется среднеквадратичное значение напряжения:

Численно, среднеквадратичное значение напряжения на шунте R_Шопределяется по выражению:

где t ₁ – время начала регистрации, с;
t ₂ – время конца регистрации, с;
T _д = 100 мкс – время дискретизации АЦП РЕТОМ-51/61/71;
n = (t ₂– t ₁)/ T _д – количество отсчётов (выборок) в буфере анализа АЦП.

Количество электричества Q, протекшее от момента возникновения импульса режекции до его окончания – Q = i · Δt, где

i – ток, протекающий через дискретный вход, А;
Δt = t ₂ – t ₁ – время регистрации напряжения на шунте, с.

Численно, количество электричества на ДВ определяется, с учётом формулы (1), по выражению:

где R _ш – сопротивление шунта; Δt = t ₂ – t ₁ – время измерения количества электричества.

Автоматически, по формуле (2), вычисляется время от момента возникновения импульса до момента, при котором значение Q превысит 200 мкКл. Это время соответствует минимальной задержке ДВ, при которой удовлетворяются требования СТО относительно количества электричества в режективном импульсе. Пример результата измерения и осциллограмма импульса режекции на реальном МП терминале РЗА приведены на рис. 7 и 8 соответственно.

Рис. 7. Фрагмент протокола проверки параметра импульса режекции ДВ

Рис. 8. Осциллограмма измерения импульса режекции ДВ

Для определения входного сопротивления дискретного входа в несработанном состоянии, в соответствии с СТО [3], предусматривается применение, кроме генератора испытательных воздействий, дополнительного прибора – миллиамперметр и ручной ввод значения тока, протекающего через ДВ, для вычисления его сопротивления. Данная проверка также может быть автоматизирована с использованием схемы, приведённой на рис. 6. В этом случае сопротивление ДВ будет определяться по выражению:

где U _пр = 131 В – напряжение проверки на аналоговых выходах РЕТОМ-51/61/71;
U _ш – значение напряжения на шунте, измеряемое АЦП, В.

Сопротивление ДВ таким способом определяется без миллиамперметра, автоматически. Пример результата испытаний и осциллограмма процесса приведены на рис. 9 и 10 соответственно.

Рис. 9 – Фрагмент протокола проверки ДВ с результатами измерения сопротивления

Рис. 10 – Осциллограмма напряжения на шунте при измерении сопротивления ДВ

Выводы

Проверку параметров и характеристик функционирования ДВ МП терминалов можно автоматизировать аналогично проверкам параметров срабатывания функций РЗА, включая такие проверки, как оценка импульса режекции и сопротивления ДВ в дежурном режиме. Результаты испытаний фиксируются в защищённом от редактирования протоколе, что актуально при аттестационных испытаниях и приёмосдаточных проверках РЗА на подстанции. В случае поддержки протокола MMS в проверяемом устройстве, рассмотренные алгоритмы исключают переконфигурирование МП терминалов.

Разработанные на основе рассмотренных алгоритмов программные модули в виде отдельной программы и библиотеки (шаблона проверки) включены в универсальное ПО приборов типа РЕТОМ-51/61/71, а также в ПО «ПТК Приёмка» – в модуль «Аттестация» в составе шаблонов проверки типовых шкафов серии ШЭТ и могут использоваться при испытаниях МП РЗА.

Литература

Никитин А.А. Цифровая релейная защита. Основы синтеза измерительной части микропроцессорных реле: текст лекций / А.А. Никитин. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014. – 240 с.
СТО 56947007-29.120.40.102-2011 Методические указания по инженерным расчетам в системах оперативного постоянного тока для предотвращения неправильной работы дискретных входов микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики, при замыканиях на землю в цепях оперативного постоянного тока подстанций ЕНЭС. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС». Дата введения 11.10.2011.
СТО 56947007-29.120.70.241-2017 Технические требования к микропроцессорным устройствам РЗА. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Дата введения: 28.02.2017 Дата введения изменений: 11.12.2019.
Комплекс программно-технический измерительный РЕТОМ-71. Руководство по эксплуатации БРГА.441323.035 РЭ. Редакция 22.12.22. Чебоксары, 2022.
IEC 61850-8-1. Communication networks and systems for power utility automation – Part 8-1: Specific communication service mapping (SCSM) – Mappings to MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3, International Standard, Edition 2.

Смирнов Ю.Л.
начальник отдела программных средств
ООО «НПП «Динамика»,
Шалимов А.С.
начальник отдела релейной защиты и автоматики
ООО «НПП «Динамика»

г. Чебоксары
Сентябрь 2023