Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Особенности защит генераторов автономных электростанций, современное состояние их развития, вопросы проектирования и требования к комплексной системе защиты 10
1.1. Анормальные режимы работы генераторов 10
1.1.1. Перегрузка генераторного агрегата 10
1.1.2. Двигательный режим работы генератора 12
1.1.3. Снижение напряжения на выводах генератора . 13
1.1.4. Короткие замыкания 13
1.1.5. Необходимый объем защиты 14
1.2. Общие вопросы проектирования комплексных систем релейной защиты 15
1.2.1. Формализация функций устройств релейной защиты 16
1.2.2. Структурные особенности макромоделей комплексных систем защиты 22
1.3. Устройства защиты современных генераторов Ав.ЭС 28
1.4. Анализ алгоритмов и формирование макромоделей отдельных каналов и комплексной защиты генератора Ав.ЭС в целом 42
1.4.1. Каналы перегрузки генератора 42
1.4.2. Каналы перегрузки приводного двигателя . 46
1.4.3. Канал обратной мощности 52
1.4.4. Канал напряжения 54
1.4.5. Канал продольной дифференциальной токовой защиты 55
1.4.6. Макромодель комплексной системы защиты генератора 57
Выводы 61
ГЛАВА 2. Исследование и разработка алгоритмов формирования параметров входных сигналов, контролируемых комплексной защитой генератора 62
2.1. Исследование алгоритмов определения квадрата действующего значения величин и активной мощности 62
2.2. Повышение точности алгоритмов определения контролируемых параметров при изменении частоты входных сигналов защиты 69
2.3. Выбор частоты дискретизации сигналов защиты с учетом их спектрального состава и алгоритмов обработки 71
2.4. Разработка алгоритмов измерения частоты в программируемых защитах 76
2.5. Сокращение времени выполнения программы комплексной системы защиты 87
Выводы 101
ГЛАВА 3. Разработка микропроцессорной системы для выполнения функций комплексной защиты генератора 102
3.1. Сравнение различных классов микропроцессорных систем и выбор типа микропроцессора 104
3.2. Структурная схема микропроцессорной системы комплексной защиты генератора ИЗ
3.2.1. Структурная схема процессора 115
3.2.2. Организация устройств, внешних по отношению к процессору 122
3.2.3. Синхронизация системы 127
3.3. Блок микропрограммного управления 136
3.4. Программное обеспечение микропроцессорной системы защиты 145
3.4.1. Форма представления чисел 146
3.4.2. Арифметика с плавающей точкой 147
3.4.3. Подпрограммы загрузки-выгрузки операндов . 151
3.4.4. Арифметика с фиксированной точкой 151
3.4.5. Специализированные подпрограммы 153
3.5. Система самодиагностики 160
3.5.1. Аппаратные элементы самодиагностики 160
3.5.2. Программная самодиагностика 162
Выводы 167
ГЛАВА 4. Опытные образцы комплексной защиты генератора, вопросы автоматизации их проектирования и результаты испытаний 168
4.1. Автоматизация разработки микропроцессорных систем релейной защиты 168
4.1.1. Аппаратные средства 168
4.1.2. Программные средства 172
4.2. Особенности программы комплексной защиты генераторов 176
4.3. Конструкция опытных образцов 184
4.4. Основные результаты испытаний 186
Выводы 193
Заключение 194
Литература 196
Приложение I. Суммы некоторых конечных рядов 205
Приложение 2. Принципиальные схемы блоков МПС 206
Приложение 3. Программы математического обеспечения МПС 210
Приложение 4. Программа комплексной защиты генераторов автономных электростанций 217
Приложение 5. Фотографии опытных образцов 225
Приложение 6. Материалы о внедрении результатов работы . 227
- Перегрузка генераторного агрегата
- Исследование алгоритмов определения квадрата действующего значения величин и активной мощности
- Сравнение различных классов микропроцессорных систем и выбор типа микропроцессора
- Автоматизация разработки микропроцессорных систем релейной защиты
Перегрузка генераторного агрегата
Наиболее частым режимом нарушения нормальной работы генераторов в автономных электростанциях (Ав.ЭС) является их перегрузка /15/. Отключение генератора от сети является крайней мерой, а её необходимость определяется не только генератором, но и его приводом. Поэтому защита от перегрузки должна допускать максимальное использование перегрузочной способности системы привод-генератор в целом.
Перегрузка генератора приводит к недопустимому повышению температуры его обмоток, и наиболее полно использовать его перегрузочную способность можно при непосредственном контроле температуры. Но такой контроль требует наличия в генераторе достаточного количества датчиков температуры, и с точек зрения технологичности и надежности в настоящее время считается не целесообразным. Поэтому наибольшее распространение получили косвенные методы определения температуры, наиболее точные из которых основаны на решении дифференциального уравнения нагрева генератора /I/. К сожалению отсутствие данных о предельных температурах обмоток генератора не позволяет использовать температуру в качестве контролируемого параметра /18/. Принятой в настоящее время характеристикой перегрузочной способности генератора, является зависимость времени перегрева от величины протекаемого тока /15/, которая и используется при проектировании реле защиты /19,20/.
Для большей части отечественных генераторов и приводных турбин, применяемых в Ав.ЭС, допустимое время работы при перегрузке 10,25 и 50$ составляет соответственно 2ч,30 мин и 5 мин /15/.При этом перегрузка фиксируется по полному току генератора. Для приводного дизеля допускается работа при 10$ перегрузке в течение I ч. Классификационным параметром дизеля является развиваемая им мощность на валу, соответствующая активной мощности генератора, по которой и фиксируется режим перегрузки дизеля.
При проектировании устройств защиты принято считать, что 10$ перегрузка дизеля соответствует предельному положению топливной рейки и дальнейшее увеличение нагрузки не компенсируется увеличением подачи топлива /15/, что приводит к снижению частоты вращения, В то. же время, реально для различных дизелей этот режим наступает при различных нагрузках на валу. Кроме того поведение различных дизель-генераторов в переходных режимах различно /21/. Поэтому с целью более полного использования перегрузочной способности дизеля, указанный режим целесообразно выявлять с помощью реле понижения частоты. Необходимо отметить, что требования к точности поддержания частоты в Ав.ЭС сравнительно невысоки, что следует учитывать при проектировании защиты.
Исследование алгоритмов определения квадрата действующего значения величин и активной мощности
Повышение точности определения параметров входных сигналов защиты при изменении их частоты возможно за счет: использования специальных алгоритмов, некритичных к частоте сигналов; учета реальной частоты сигналов при вычислении контролируемых параметров; изменения частоты дискретизации пропорционально частоте сигналов.
Задача синтеза специальных алгоритмов, некритичных к частоте
сигналов, является самостоятельной и достаточно сложной. Не отрицая всей важности её решения, остановимся на более простых путях повышения точности.
Учет реальной частоты сигналов при вычислении контролируемых параметров приводит к усложнению вычислений и увеличению необходимых для этого затрат времени. Этот недостаток проявляется тем сильнее, чем большее количество параметров рассчитывается устройством защиты» Для комплексной защиты наиболее целесообразным представляется изменение частоты дискретизации пропорционально частоте сигналов, поскольку оно выполняется независимо от количества контролируемых параметров. Суть способа очевидна из рассмотрения погрешностей, приведенных в п.2.1. Действительно, если поддерживатьСО- I. то все они обращаются в нуль.
Вопрос определения частоты сигналов рассмотрен ниже, здесь же остановимся на некоторых особенностях изменения частоты дискретизации.
В программируемых защитах период дискретизации задается с помощью таймера, выполненного, как правило, в виде счетчика син хроимпульсов. Для того, чтобы обеспечить возможность изменения частоты дискретизации, счетчик должен иметь программно изменяе мый коэффициент пересчета. Аппаратная реализация такого счетчи ка значительно сложнее, чем обычного с фиксированным коэффициен том пересчета. Программная - требует больших затрат времени на счет импульсов. Поэтому целесообразно выполнить часть счетчика, коэффициент пересчета которой необходимо изменять - программой, а остальную - аппаратной.
Сравнение различных классов микропроцессорных систем и выбор типа микропроцессора
На рис.3.1 приведена структурная схема микропроцессорной системы (МПС), содержащая минимальное количество блоков, необходимых для выполнения ею функций релейной защиты. О назначении МПС свидетельствует наличие входного и выходного блоков. Первый -осуществляет преобразование аналоговых сигналов, контролируемых защитой, в цифровой код. Второй - организует необходимое количество дискретных выходов. Алгоритм защиты реализуется с помощью программы, которая хранится в блоке постоянной памяти, внешнем -ПЗУ, либо находящемся внутри процессора. Промежуточные результаты выполнения алгоритма хранятся в блоке оперативной памяти -ОЗУ, Основным в МПС является процессор, осуществляющий под управлением программы обработку поступающей на шину НЩВУ информации и управление остальными блоками. Для управления служат шины, условно называемые шиной адреса ША и данных ЩЦ.
Различные МПС могут различаться разрядностью шин, объемом блоков памяти, наличием дополнительных блоков и т.д. Но все же основной отличительной чертой следует считать организацию процессора. По этому критерию существующие в настоящее время МПС можно разделить на три класса /75/. Первый класс - МПС на базе микропроцессорных ШС с фиксированной системой команд, которая определена разработчиком ШС и не доступна разработчику системы.
Второй класс - оперативно специализируемые МПС. Блок микропрограммного обеспечения (ЕМУ) этих систем доступен разработчику и путем замены его памяти может быть выбрана система команд, наиболее полно отвечающая особенностям прикладной задачи.
Третий класс - специализированные МПС, в которых алгоритм записан на языке микрокоманд используемой МП БИС и помещен непосредственно в память БМУ.
Наибольшее распространение в различных областях техники получил первый класс МПС, что обусловлено рядом его достоинств -наличием достаточно развитых средств аппаратной и программной отладки систем, сравнительной легкостью разделения функций разработки аппаратной части и программирования и т.д. Наиболее развитым семейством БИС, предназначенных для реализации таких систем, является серия К580 /76/.
Второй класс МПС предполагает наличие достаточно гибких и эффективных пакетов программного обеспечения применительно к данной структуре системы и кругу решаемых задач.
Автоматизация разработки микропроцессорных систем релейной защиты
Программатор предназначен для занесения информации в БИС постоянных запоминающих устройств с максимальным объемом 2КхВ разрядов, программируемых путем пережигания плавких перемычек.
Дополнительное оперативное запоминающее УСТРОЙСТВО заменяет на этапе разработки защиты ПЗУ микрокоманд. Выполнено оно на микросхемах ОЗУ типа КІ55РУ7 и по быстродействию не уступает ПЗУ, выполненному на БИС К556РТ7. Это позволяет производить отладку записанных в него программ в реальном масштабе времени МПС.
Системный анализатор связан с внутренними шинами и блоком синхронизации разрабатываемой МПС и обеспечивает:
- выполнение программы по шагам (по микрокомандам), при этом на панель индикации выводится адрес микрокоманды, которая будет выполнена на следующем шаге, а также состояние её управляющих полей и внутренних шин системы, что позволяет визуально контролировать процесс выполнения программы;
- выполнение программы до достижения ею адреса, задаваемого с пульта анализатора, при этом в момент остановки на индикацию выводится та же информация, что в предыдущем режиме;
- автоматический анализ хода выполнения программы и состояния МПС с помощью ЭВМ;
- согласование масштаба времени ЭВМ и МПС при испытаниях системы защиты с заданием входных сигналов от ЭВМ.
Непрерывный входной сигнал защиты представляется в программируемой защите в виде дискрет и может быть задан ЭВМ непосредственно в цифровом коде, либо с помощью входящего в состав ИВК цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В первом случае значение выборки выдается непосредственно на шину ЩДВУ (см.рис.3.5), что позволяет иммитировать работу входного, блока МПС до его разработки и изготовления. Во втором случае значение выборки выдается на вход АЦП МПС. Сравнивая результаты испытаний, полученные в первом и втором случаях, можно оценить погрешность, вносимую АЦП. Поскольку быстродействие ИВК существенно ниже, чем у МПС, системный анализатор согласовывает их масштабы времени в момент описанных испытаний. Для этого в его составе имеется триггер, который останавливает МПС (отключает синхрогенератор) по факту обращения к АЩ. Сброс триггера осуществляется ИВК после того, как требуемое значение выборки установится на входах МПС.
