Спосіб передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високочастотних каналах

Реферат: Запропонований спосіб передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високочастотних каналах, що містить джерела живлення, зовнішні інтерфейси, блок передавача, що складається з центрального процесора, вхід якого з'єднаний з N кількістю модулів вхідних дій, які перетворюють аварійні сигнали, що надходять від пристроїв релейного захисту та протиаварійної автоматики, з модулем сигналізації, з модулем телемеханіки та з зовнішніми інтерфейсами, а вихід якого з'єднаний з модулем підсилювача потужності і з модулем вихідного лінійного фільтра, і блок приймача, що складається з центрального процесора, вхід якого з'єднаний з модулем вхідного лінійного фільтра, а вихід якого з'єднаний з N кількістю модулів реле, з модулем сигналізації, з модулем телемеханіки та з зовнішніми інтерфейсами, в якій в блок передавача додатково введено модуль формувача сигналів, один з входів якого з'єднано через паралельну шину з входом центрального мікропроцесора та виходом модуля телемеханіки, а вихід - з модулем підсилювача потужності, який в свою чергу з'єднаний з модулем вихідного лінійного фільтра, і в блок приймача додатково введено модуль демодулятора сигналів, вхід якого з'єднано з модулем лінійного вхідного фільтра, а один з виходів - через паралельну шину з входом центрального мікропроцесора, а для сполучення центрального мікропроцесора з N кількістю модулів реле додатково введено N кількість модулів управління реле. UA 101664 C2 (12) UA 101664 C2 UA 101664 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки і призначений для використання в системах релейного захисту та автоматики по високочастотних каналах. Однією з найбільш надійних систем, що здійснюють ефективний контроль над електроенергетичним комплексом, є релейний захист та протиаварійна автоматика. Принцип її роботи полягає у автоматичному контролі за електроенергетичними системами (ЕЕС), який здійснюється спеціальними пристроями. Ці апарати при необхідності також беруть на себе управління пошкоджених блоків ЕЕС. Сучасний релейний захист і автоматика заснована на новітніх мікропроцесорах. Такий захист забезпечує безпеку будь-яких ЕЕС - від невеликих електростанцій до найбільших промислових підприємств. Він виконує також функції сигналізації, реєструє події, що відбуваються на ЕЕС. Також автоматика миттєво виявляє і відключає несправні блоки, не порушуючи всієї роботи системи, відповідає за відновлення нормальних режимів роботи (наприклад, включати обладнання після аварійного вимкнення або підключати обладнання до резервного живлення). Відомо високочастотну апаратуру каналів автоматики ВЧ АКА-16 «Кедр» (Сертифікат РФ № РОСС RU.ME27.H01798 від 03.04.2009, див. http://www.uenserv.ru/data/sert%20kedr.pdf), яка призначена для утворення високочастотних каналів релейного захисту та протиаварійної автоматики. Базовий комплект апаратури АКА "Кедр" включає в себе два блоки: високочастотний передавач (формувач 8/16/32 сигналів-команд) та високочастотний приймач (ідентифікатор 8/16/32 сигналів-команд). При роботі базового комплекту АКА "Кедр" здійснюються такі дії: передача команд протиаварійної автоматики (ПА) одночастотним або двочастотним послідовним кодом; прийом команд ПА за умови відсутності сигналу контрольної частоти та наявності достатнього рівня сигналу команди на виході підсилювача-обмежувача; безперервний автоматичний контроль справності високочастотного тракту передачею сигналу контрольної частоти зі зниженим рівнем потужності; періодичний (з інтервалом 2 мс) контроль справності функціональних вузлів апаратури: від вхідних ланцюгів передавача - до вихідних реле приймача; запис в енергонезалежну пам'ять переданих та прийнятих команд (дата, час, номер команди); робота оператора з клавіатурою і дисплеєм блока ПРЦ (центрального процесора) за вибором/настройкою режимів роботи та параметрів апаратури через багаторівневе меню; сигналізація проходження команд, а також несправності ВЧ каналу і апаратури (з визначенням несправного вузла). Інформація про останні події відображається на дисплеї до моменту підтвердження або появи нової інформації. Основним недоліком даної апаратури і способу утворення високочастотних каналів релейного захисту та протиаварійної автоматики є недостатня захищеність переданих команд протиаварійної автоматики від промислових завад (сигналів передавачів каналів енергозв’язку, радіочастотних пристроїв і т. д.). Відомий цифровий пристрій, за допомогою якого здійснюється передача команд релейного захисту (РЗ) і протиаварійної автоматики (ПА) по високочастотному каналу УПК-Ц, і який використовують в системах протиаварійної автоматики і релейного захисту енергосистем, що використовують як канал зв’язку лінії електропередач (ЛЕП) з напругою 110 -1150 кВ (Сертифікат РФ №. РОСС RU.МЕ27.Н01790 № 892817 від 23.03.2009 р. див. http://www.prosoftsystems.ru/largeimage.htm?img=1158, сайт компанії ProSoft http://www.prosoftsystems.ru/products/product.htm?pid=54 ). Даний комплект апаратури складається з приймача УПК-Ц та передавача УПК-Ц, в яких приймально-передавальний тракт і логіка управління здійснюється переважно за допомогою програми. Основними відмінностями передачі команд релейного захисту і протиаварійної автоматики є те: - що 32 команди формуються в груповому сигналі в смузі 4 кГц паралельним двочастотним кодом, що істотно підвищує перешкодозахищеність тракту передачі і достовірність переданої інформації; - існує можливість передачі сигналів телемеханіки зі швидкістю 200 Бод незалежно від передачі команд; - здійснюється постійний контроль всіх вузлів і блоків від вхідних ланцюгів команд в передавачі до контактів вихідних реле команд в приймачі; - існує можливість настройки алгоритму обробки команд програмним чином; 1 UA 101664 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - на 4 рядковий РК- дисплей з енергонезалежного журналу подій виводиться інформація про час початку і закінчення команд, що надійшли, та про виниклі аварійні ситуації; - існує синхронізація годинника приймача з годинником передавача з точністю 2 мс. Основним недоліком даної апаратури і способу передачі команд релейного захисту і протиаварійної автоматики є недостатня захищеність переданих/прийнятих команд від промислових завад (сигналів передавачів каналів енергозв’язку, радіочастотних пристроїв і т. д.). Відома апаратура каналів високочастотного зв'язку, телемеханіки, передачі даних і команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високовольтних лініях електропередачі та спосіб передачі даних і команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високовольтних лініях електропередачі (Патент на корисну модель РФ №98656, МПК H04B 3/00, опубл. 20.10.2010 р.), який вибраний за прототип. Апаратура включає блок обробки сигналу, блок прийому/передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики, блок управління і контролю станції, підсилювач потужності, блоки живлення і термінал, в якій підсилювач потужності виконаний за двоступеневою схемою з двократним запасом потужності кожного ступеня, з можливістю забезпечення посилення сигналу при відмові одного ступеня (гаряче резервування). Також вона оснащена резервним блоком живлення з можливістю забезпечення живлення при відмові штатного блока живлення (гаряче резервування), а блок живлення містить елементи комутації для вхідної напруги від 48 до 220 В постійного струму і 220 В змінного. Також вона оснащена резервним каналом зв'язку по виділеній телефонній лінії і по каналу зв'язку по GSM-каналах, а блок прийому/передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики встановлений окремо від основної станції на відстані до 1200 м і пов'язаний з нею оптико-волоконним кабелем. Функціонування даної апаратури забезпечує передачу сигналів, що несуть різну інформацію, з різними варіантами поділу (демультиплексування) сигналів: з тимчасовим поділом сигналів – режим (ТПС), з частотним розділенням сигналів – режим (ЧРС), в змішаному режимі передачі, коли частина смуги частот використовується для передачі в режимі ТПС, а частина – в режимі ЧРС. Номінальні смуги частот передачі/прийому апаратури вибираються в межах діапазону частот від 20 до 1000 кГц з кроком 4 кГц. Загальна номінальна смуга частот розподіляється програмним шляхом між каналами, які передають інформацію в режимах ЧРС і ТПС. Апаратура здійснює в аналоговому режимі організацію стандартних або комбінованих телефонних каналів (ТФ) для передачі мовної інформації в смузі від 0,3 до 2,1; від 0,3 до 3,7 кГц з дво- і чотирипровідними закінченнями. Смуга переключається з кроком 100 Гц. Апаратура в цифровому режимі роботи здійснює організацію цифрового каналу передачі даних (ЦКПД) за допомогою вбудованого синхронного модема з корисною (доступної користувачеві) швидкістю до 12,0 кбіт/с в смузі 4 кГц. При розширенні номінальної смуги до 16 кГц корисна швидкість досягає більш 48 кбіт/с. Передача і прийом дискретних керуючих команд релейного захисту (РЗ) та протиаварійної автоматики (ПА) проводиться вбудованим блоком РЗПА. Управління всіма режимами, контроль (діагностика) стану апаратури здійснюється за допомогою програмиуправління і зовнішнього ПК. Недоліком даної апаратури і способу передачі даних і команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високовольтних лініях електропередачі за допомогою даної апаратури полягає в тому, що існує потреба використання широкої смуги частот зв'язку, високі затрати та складність реалізації, низька завадостійкість передачі блокуючих сигналів, тому що основне функціонування даної апаратури полягає в забезпеченні тільки дублювання основних функцій апаратури каналів високочастотного зв'язку, телемеханіки, передачі даних і команд релейного захисту. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високочастотних каналах, який би за рахунок використання для передачі та прийому інформації (аварійних команд) методу прямого розширення спектра кодовою послідовністю (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), забезпечив би підвищення завадостійкості передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високочастотних каналах. Поставлена задача вирішується тим, що запропонований спосіб передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високочастотних каналах, що включає перетворення напруги аварійних сигналів, які надходять від пристроїв релейного захисту та протиаварійної автоматики, N кількістю модулів вхідних дій, передачу перетвореної напруги за допомогою центрального процесора в блок передавача, формування вихідного сигналу та передачу його в модуль підсилення потужності і через модуль вихідного лінійного фільтра – в блок приймача, в 2 UA 101664 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 якому згідно з винаходом, на виході передавача здійснюють формування фазоманіпульованого сигналу, відповідно переданому сигналу або, у його відсутності, контрольному сигналу, використовуючи метод розширення спектра кодовою послідовністю для передачі аварійних команд, здійснюючи π-маніпуляцію гармонійного сигналу Sin (Δωt) кодом φk(t) за допомогою модуля формувача сигналів, який введений в блок передавача, після чого в модулі демодулятора сигналів блока приймача здійснюють його синхронізацію за рахунок безперервно переданого контрольного сигналу і визначення кореляції прийнятого сигналу і копій кодів аварійних команд, далі демодульовані коди прийнятих аварійних команд і дані телеметрії передають в центральний процесор за допомогою паралельної шини і, відповідно, до коду прийнятої команди центральний процесор проводить включення одного або декількох виходів модулів реле, які сполучені з центральним процесором через модулі управління реле. Перевагою запропонованого технічного рішення є підвищена завадостійкість при здійсненні даного способу: забезпечення кращих, в порівнянні з аналогами, імовірнісних характеристик прийому команд в умовах дії завад індустріального походження при такій же, як у аналогів, стійкості до завади виду «білого шуму». Завади індустріального походження (наведення від радіовипромінюючих засобів, комбінаційні сигнали інших передавачів тощо) присутні на вході приймача разом з тепловим шумом, що має характер білого гаусового шуму, але, на відміну від нього, мають кінцеві значення ширини частотної смуги. Вплив таких завад тим більше, чим ближче їх параметри до параметрів корисного сигналу. Наприклад, гармонійний сигнал буде найбільш ефективною завадою для сигналу вигляду немодульованої несучої, якщо їх частоти співпадають. Вірогідність збігу параметрів перешкоди і сигналу зменшується з ускладненням структури сигналу. Кількісно «ступінь складності» характеризується базою сигналу, рівною приблизно 2*∆F*Т, де ∆F - ширина смуги, а Т - тривалість сигналу. Смуга ∆F при цьому може бути значно ширше за мінімальну, необхідну для передачі інформації; розширення смуги забезпечується використанням «розширюючого сигналу» - кодовій послідовності маніпуляції, яка не залежить від інформації, що передається. Прийом такого сигналу здійснюється шляхом зіставлення його з синхронізованою копією (з тією ж кодовою послідовністю). Такий метод підвищення завадостійкості називається методом прямого розширення спектра кодовою послідовністю (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum). Ступінь неприйнятності приймача до завад прямо пропорційна коефіцієнту розширення спектра. Таким чином, максимально можлива завадостійкість визначається допустимою для передачі сигналу шириною смуги частот. Запропоноване технічне рішення передбачає використання всієї (що відводиться нормативами) частотної смуги для передачі сигналу команди, що забезпечує підвищення стійкості до завад індустріального походження, зберігаючи стійкість до завади виду білого гаусового шуму, що здійснюється завдяки додатковому введенню в передавач блока формувача, а в приймач демодулятора розширяючого спектр сигналу («розширяючого коду»). Кодова послідовність, що розширює спектр, має вид бінарної фазової маніпуляції, яка найбільш ефективна з погляду використання всієї смуги каналу (∆F). Автоматикою ініціалізується генерація гармонійного сигналу Sin(∆ωt), тривалість якого рівна Тk, а частота ω рівна центральній частоті виділеного частотного каналу шириною смуги ∆t. У модуляторі здійснюється фазова π-маніпуляція сигналу кодом φk(t), який відповідає переданій команді (або контрольному сигналу під час відсутності команд), за допомогою модуля формувача сигналів, який введений в блок передавача. Далі посилений сигнал надходить в лінію. У приймачі смуговим фільтром селектизується робоча смуга каналу ∆f, далі виділений сигнал через підсилювач надходить на перемножувач. З результату перемножування низькочастотним фільтром виділяється постійна складова Cos(ωt + φk(t)) = Cos(0), яка після накопичення в інтеграторі порівнюється з порогом для ухвалення рішення про прийом команди. Перемножувач і наступні за ним елементи складають структуру корелятора, що в теорії прийому сигналів зветься "оптимальним приймачем". Суть оптимального прийому - використання в приймачі копії, співпадаючої з сигналом, що приймається, по всіх координатах. Очевидно, що для досягнення максимуму вихідного сигналу корелятора (рівності нулю Cos (ωt + φk(t)) = Cos (0)) необхідне точне тимчасове поєднання копії і сигналу, яке реалізується синхронізацією приймача до передавача. Синхронізація приймача забезпечується за рахунок контрольного сигналу, який безперервно передається у вигляді відповідного йому коду розширення. У загальному випадку в апаратурі використовується N+1 код розширення, де N – необхідна кількість команд. Як коди розширення 3 UA 101664 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 використовуються псевдовипадкові послідовності, з сімейства М-послідовностей, що мають мінімальну взаємну кореляцію. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 зображено структурну схему блока передавача, а на Фіг. 2 зображено структурну схему блока приймача. Запропонований спосіб передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високочастотних каналах здійснюється за допомогою апаратури, яка складається з джерел живлення 1, блока передавача 2, що складається з центрального процесора 3, вхід якого з'єднаний з N кількістю модулів вхідних дій 4, які перетворюють аварійні сигнали, що надходять від пристроїв релейного захисту та протиаварійної автоматики з модулем сигналізації 5, з модулем телемеханіки 6 та з зовнішніми інтерфейсами 7, а вихід центрального процесора 3 з’єднаний з модулем підсилювача потужності 8 і з модулем вихідного лінійного фільтра 9, і блока приймача 10, що складається з центрального процесора 11, вхід якого з’єднаний з модулем вхідного лінійного фільтра 12, а вихід якого з'єднаний з N кількістю модулів реле 13, з модулем сигналізації 14, з модулем телемеханіки 15 та з зовнішніми інтерфейсами 16, також в блок передавача 2 додатково введено модуль формувача сигналів 17, один з входів якого з’єднано через паралельну шину з входом центрального мікропроцесора 3 та виходом модуля телемеханіки 6, а вихід – з модулем підсилювача потужності 8, який в свою чергу з’єднаний з модулем вихідного лінійного фільтра 9, і в блок приймача 10 додатково введено модуль демодулятора сигналів 18, вхід якого з’єднано з модулем лінійного вхідного фільтра 12, а один з виходів – через паралельну шину з входом центрального мікропроцесора 11, а для сполучення центрального мікропроцесора 11 з N кількістю модулів реле 13 додатково введено N кількість модулів управління реле 19. Спосіб реалізується наступним чином. Модулі вхідних дій 4 перетворюють напругу аварійних сигналів в паралельний двійковий код і передають в центральний процесор 3. Модуль формувача сигналу 17 формує фазоманіпульований сигнал, відповідний переданій команді або, у відсутності команд, контрольному сигналу, який надходить (у вигляді синусоїдальної напруги) безпосередньо в модуль формувача сигналу 17 по окремому входу (не показаний) з гальванічною розв'язкою. Контрольний сигнал призначений для підтримки постійної синхронізації між блоком передавача 2 і блоком приймача 10. Окрім цього, переданий в лінію сигнал містить інформацію про поточну фазу і,при необхідності, дані телеметрії. Дані телеметрії надходять від модуля телемеханіки 6 в модуль формувача сигналу 17 через центральний процесор 3. Частота лінійного сигналу може встановлюватися в діапазоні від 24 кГц до 1000 кГц з кроком ∆f. Вихідний сигнал S з модуля формувача сигналів 17 надходить на модуль підсилювача потужності 8, який живиться від джерела живлення 1а. Підсилювач потужності 8 лінійний, вихідна потужність регулюється діапазоні від 32 дБм до 47 дБм з кроком 1 дБм. Управління потужністю, а також діагностика проводиться за допомогою центрального процесора 3. Рівень позасмугових випромінювань на будь-якій частоті діапазону 24... 1000 кГц за межами робочої смуги не перевищує мінус 40 дБм щодо поточного значення вихідної потужності. Вихідний опір 75 Ом (номінальне значення). Вихідний сигнал S з модуля підсилювача потужності 8 надходить в лінію через модуль вихідного лінійного фільтра 9 в блок приймача 10. Також блок передавача 2 має зовнішні інтерфейси 7. Це дозволяє вирішувати різноманітні завдання, такі як ручна або автоматизована діагностика працездатності апаратури, перевірка електричних характеристик, встановлення конфігурацій при пускові-наладці, тестуванні і модифікації внутрішніх робочих програм. Це також забезпечує можливість включення пристрою до складу локальної мережі. Далі сигнал Sвх через вхідний лінійний фільтр 12 надходить в модуль демодулятора сигналів 18. Центральна частота вхідного сигналу може бути встановлена в діапазоні від 24 кГц до 1000 кГц з кроком ∆f. Установка частоти проводиться за допомогою центрального процесора 11. Модуль демодулятора сигналів 18 виконує наступні завдання: прийом контрольного сигналу і підтримка синхронізації між блоком передавача 1 і блоком приймача 10; прийом аварійних команд; прийом даних про поточну фазу; прийом даних телеметрії; формування вихідного сигналу фази. Демодульовані коди прийнятих аварійних команд і дані телеметрії передаються в центральний процесор 11 за допомогою паралельної шини, аналогічної тій, яка застосовується в блоці передавача 2. 4 UA 101664 C2 5 10 15 Відповідно до коду прийнятої команди центральний процесор 11 проводить включення одного або декількох виходів модулів реле 13. Для сполучення цих модулів 13 з центральним процесором 11 призначені модулі управління реле 19. Дані телеметрії надходять на вихід блока приймача 10 через модуль телемеханіки 15. Сигнал фази формується на окремому виході (не показано) з гальванічною розв'язкою модуля демодулятора 18 у вигляді аналогового синусоїдального сигналу з частотою 50 Гц. Блок приймача 10, також як і блок передавача 1, підтримує обмін із зовнішніми пристроями за допомогою зовнішніх інтерфейсів 16. Використання даного технічного рішення дозволяє передавати команди релейного захисту енергооб’єктів: телеприскорення, телевідключення, заборона/дозвіл повторного включення. Також передачу команд протиаварійної автоматики: фіксацію відключення ПЛ (повітряної лінії), автоматики підвищення напруги, асинхронного ходу, спеціального обмежувача навантаження тощо та передачу фази напруги промислової частоти (для протиаварійної автоматики «по куту»). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 Спосіб передачі команд релейного захисту та протиаварійної автоматики по високочастотних каналах, що включає перетворення напруги аварійних сигналів, які надходять від пристроїв релейного захисту та протиаварійної автоматики, N кількістю модулів вхідних дій, передачу перетвореної напруги в центральний процесор в блок передавача, формування вихідного сигналу та передачу його в модуль підсилення потужності і через модуль вихідного лінійного фільтра - в блок приймача, який відрізняється тим, що на виході передавача здійснюють формування фазоманіпульованого сигналу, відповідно переданому сигналу або, у його відсутності, контрольному сигналу, використовуючи метод розширення спектра кодовою послідовністю для передачі аварійних команд, здійснюючи π-маніпуляцію гармонійного сигналу Sin(Δωt) кодом φk(t) за допомогою модуля формувача сигналів, який введений в блок передавача, після чого в модулі демодулятора сигналів блока приймача здійснюють його синхронізацію за рахунок безперервно переданого контрольного сигналу і визначення кореляції прийнятого сигналу і копій кодів аварійних команд, далі демодульовані коди прийнятих аварійних команд і дані телеметрії передають в центральний процесор за допомогою паралельної шини і, відповідно, до коду прийнятої команди за допомогою центрального процесора проводять включення одного або декількох виходів модулів реле, які сполучені з центральним процесором через модулі управління реле. 5 UA 101664 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6