Программное обеспечение и Интернет-ресурсы. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

- способностью к анализу современного состояния развития микропроцессорной техники (ОПК-1);

- навыками дискуссии по современным цифровым технологиям (ОПК-1);

- терминологией: микропроцессор, микропроцессорная система, устройство ввода-вывода, память, алгоритм, программа, команда (ОПК-1);

- программными продуктами для подготовки презентаций (ПК-2);

- информационными технологиями по цифровым технологиям в релейной защите и автоматизации (ПК-1).

Общие рекомендации по работе над дисциплиной

Работа студента над дисциплиной слагается из следующих элементов: самостоятельное изучение тем дисциплины по учебникам и учебным пособиям с последующей самопроверкой; индивидуальные консультации; посещение установочных лекций, лабораторного практикума; выполнение контрольной работы; сдача экзамена по всей дисциплине.

Самостоятельная работа с литературой

Освоение дисциплины следует начинать с уяснения ее целей и задач. При первом чтении изучаемой темы необходимо получить общее представление об излагаемых вопросах, выделить основные понятия и отметить непонятные места. Затем отыскать в соответствующих справочных материалах ответы на появившиеся вопросы. При повторном чтении следует законспектировать материал по теме с необходимыми пояснениями и ссылками.

Переходить к изучению новой темы следует только после полного изучения теоретических вопросов и выполнения самопроверки.

Самопроверка

Закончив изучение темы, студент должен ответить на вопросы для самопроверки, внести коррективы в конспект, который впоследствии поможет при повторении материала в период подготовки к экзамену.

Контрольное задание

В процессе изучения дисциплины "Микропроцессорные системы управления в электроэнергетике" студент самостоятельно выполняет контрольную работу, которая является формой методической помощи при изучении дисциплины. Преподаватель-рецензент указывает студенту на недостатки в усвоении материала дисциплины, что позволяет устранить их.

Консультации

При возникновении затруднений при проработке теоретического материала следует четко сформулировать вопросы, ответы на которые можно будет получить в ходе индивидуальных письменных и устных консультаций или после обзорных лекций по соответствующим темам.

Лекции

В период установочной сессии студентам читаются лекции обзорного характера по наиболее важным темам дисциплины, а также рассматриваются вопросы, недостаточно полно освещенные в учебной литературе или вызывающие затруднения у большого числа студентов.

Лабораторные занятия

Для более глубокого изучения дисциплины и получения навыков работы с микропроцессорной техникой проводятся лабораторные занятия.

Зачет

К сдаче зачета по дисциплине "Микропроцессорные системы управления в электроэнергетике" допускаются студенты, имеющие зачтенную контрольную работу и сдавшие отчеты по лабораторным занятиям.

Программа дисциплины
«МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ»

1. Учебный план по дисциплине

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

2. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Структура цифрового устройства релейной защиты

Входные сигналы микропроцессорных блоков релейной защиты: измеряемые сигналы - логические сигналы, аналоговые сигналы (напряжение, ток), датчики температуры, датчики частоты вращения. Вычисляемые сигналы (частота, мощность, симметричные составляющие, гармоники, температура на основе тока). Параметры логических сигналов, аналоговых сигналов (напряжение, ток), датчиков температуры - микропроцессорных блоков релейной защиты. Структура микропроцессорных блоков релейной защиты: АЦП, АЛУ, ЦАП, ОЗУ, ПЗУ, дисплей, клавиши управления, сигнальные светодиоды, выходные реле. Обработка сигналов в микропроцессорных блоках релейной защиты: входные преобразователи (к стандартному сигналу), входной фильтр низких частот (уменьшение шума, наложение сигнала), параметры АЦП (частота дискретизации по времени, точность дискретизации по амплитуде).

Раздел 2. Преобразователи входных сигналов

Компаратор. АЦП прямого преобразования. ЦАП прямого преобразования. Широтно-Импульсная Модуляция (ШИМ). Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: по максимуму и минимуму сигнала. Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: по действующему значению сигнала. Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: по производной сигнала по времени. Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: методом синхронного детектора (Фурье преобразования).

Раздел 3. Фильтрация сигналов

ФНЧ, ФВЧ, Полосовой фильтр – зависимость коэффициента передачи фильтра от частоты. Цифровые фильтры: рекурсивный, не рекурсивный фильтры. Импульсная характеристика фильтра (аналогового, цифрового не рекурсивного фильтра). Построение не рекурсивного цифрового фильтра (определение коэффициентов фильтра) по импульсной характеристике аналогового фильтра. Цифровой фильтр на основе преобразования Фурье.

Раздел 4. Интерфейсы микропроцессорных блоков релейной защиты

Топология сети – точка – точка, звезда, общая шина, кольцо, тип сигналов – токовая петля, потенциальные. RS232, RS485, Ethernet: топология, линии связи, передача одного бита, адресация устройств, скорость передачи, дальность связи. MicroLAN: топология, линии связи, передача одного бита, адресация устройств, скорость передачи, дальность связи. I2C: топология, линии связи, передача одного бита, адресация устройств, скорость передачи, дальность связи. USB: топология, линии связи, передача одного бита, адресация устройств, скорость передачи, дальность связи. Беспроводные интерфейсы: Bluetooth, WiFi: топология, линии связи, передача одного бита, адресация устройств, скорость передачи, дальность связи. Модем: коммутируемая телефонная линия, ADSL, SDSL модем, радиомодем, модем на метеорных потоках.

Тематика лекций

Лекция 1. Обзорная лекция по разделу 1. Структура цифрового устройства релейной защиты. (2 часа).

Лекция 2. Обзорная лекция по разделам 3 и 4 Фильтрация сигналов, Интерфейсы микропроцессорных блоков релейной защиты (2 часа).

Тематика лабораторных занятий

Лабораторное занятие 1. Изучение системы параллельного ввода/вывода (4 часа).

Литература

Основная

1. Гусев.В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. - 5-е изд., доп. - М. : Высш. шк., 2008.

2. Щербакова Т.Ф. Вычислительная техника и информационные технологии : учебное пособие для вузов/ Т. Ф. Щербакова, С. В. Козлов, А. А. Коробков. -М.: Академия, 2012.

3. Смирнов Ю.А. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники/ Смирнов Ю.А., Соколов С.В., Титов Е.В.. - Москва: Лань, 2013..

Дополнительная

4. Угрюмов Е. Цифровая схемотехника, БХВ-Петербург, 2004, Для студентов технических вузов и техникумов, а также специалистов, работающих в области создания цифровой аппаратуры.

5. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы «Atmel», М.: Додека, 2004.

6. Микропроцессорные системы: учебное пособие / под ред. Д. В. Пузанкова. - СПб. : Политехника, 2002.

Программное обеспечение и Интернет-ресурсы

7. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8_%28%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%29

- Си (язык программирования);

8. http://www.atmel.com/products/AVR/

- программа AVR Studio Atmel AVR 8- and 32-bit;

9. http://www.hpinfotech.ro/

- программа CodeVisionAVR .

Методические указания к изучению дисциплины

Программа дисциплины состоит из 4 разделов. Ниже по каждому разделу приводится изложение содержания раздела. В завершении каждого раздела приведены вопросы и задания для самопроверки, к которым следует приступать после изучения соответствующей темы. Литература помогает углубленному изучению курса.

Раздел 1. Структура цифрового устройства релейной защиты

Введение в курс «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В электроэнергетике»

Изучив дисциплину «Основы микропроцессорной техники» вы уже знаете основы цифровых технологий, которые являются движущей силой в развитии техники, в том числе и техники, и технологии релейной защиты и автоматики.

    В данном предмете «Микропроцессорные системы управления в электроэнергетике» ознакомимся с принципами работы микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики: как терминалы устроены внутри, как терминалы обрабатывают информацию.

    Условная схема подстанции представлена на Рис.1, с расположенными на ней силовом трансформатором (Т), высоковольтном выключателем (Q), измерительными трансформаторами тока (ТТ) и напряжения (ТН), воздушной линии электропередачи (ЛЭП), терминалом релейной защиты и автоматики.

Рис.1. Условная схема подстанции, с расположенными на ней силовом трансформатором (Т), высоковольтном выключателем (Q), измерительными трансформаторами тока (ТТ) и напряжения (ТН), воздушной линии электропередачи (ЛЭП), терминала релейной защиты и автоматики.

    Работа терминала релейной защиты и автоматики заключается в следующем (сильно упрощенно):

- измерение токов (с помощью ТТ, на ЛЭП токи порядка 100 А, первичные токи, после ТТ в терминал РЗА приходят токи 5 А или 1 А, вторичный ток) и напряжений (с помощью ТН, на ЛЭП напряжение порядка 110 кВ, первичное напряжение, после ТН к терминалу РЗА приходит напряжение порядка 100 В, вторичное напряжение) на ЛЭП;

- при превышении тока заданной уставки (I>I срабатывания), в течении времени Т срабатывания, терминал подает на выключатель Q команду отключения (принцип работы Максимально Токовой Защиты, МТЗ).

    На презентации «Блоки микропроцессорного терминала» ознакомьтесь из чего состоит терминал РЗА.

    На презентации «Входные сигналы микропроцессорных терминалов» ознакомьтесь с прохождением сигналов по ОРУ и ОПУ.

    В презентации «Принципы работы цифровых устройств защиты» рассмотрены большинство вопросов данного предмета.

С появлением микропроцессоров (микроконтроллеров) развитие техники идет по пути появления интеллектуальных свойств у отдельных устройств, у целых систем, когда логика работы устройства определяется компьютерной программой. Развитие технологий энергетики происходит по пути придания оборудованию интеллектуальных свойств, базой для этого являются цифровые микропроцессорные технологии. Общее название для такого пути развития было дано как «Smartgrid» («Умная сеть»):

A smart grid delivers electricity from suppliers to consumers using digital technology to save energy, reduce cost and increase reliability and transparency.

То есть задачами «Smartgrid» технологий являются:

•   Энергосбережение,

•   Уменьшение стоимости,

•   Увеличение надежности,

•   Увеличение прозрачности, контроля и управляемости.

Иными словами, от фрагментарной автоматизации - происходит постепенный поворот в сторону единой цифровой системы защиты, контроля и управления, которая охватывает все стороны работы и функционирования систем энергоснабжения.

Минэнерго России на Заседании президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России представило «дорожную карту» «Энерджинет» Национальной технологической инициативы (Москва, 28 сентября 2016 г.http://minenergo.gov.ru/node/6116).

Основные целевые показатели в «дорожной карте»: «Это интеллектуальное коммутационное оборудование и информационные системы управления им, интеллектуальная распределённая энергетика, в том числе на базе ВИЭ (накопители и системы управления производством электроэнергии)».

В частности, цифровая электроэнергетическая сеть, состоящая из интеллектуальных коммутационных аппаратов (реклоузеров), систем управления, учёта энергии, оперативно-диспетчерского управления, которые позволят на четверть снизить стоимость владения сетью, не менее чем на 50% уменьшить потери в ней и более чем на 70% снизить аварийность.

Виртуальная электростанция, которая объединит объекты распределённой генерации, потребителей с управляемой нагрузкой и накопители электроэнергии для их совместной работы на рынках, что позволит сократить затраты на создание и поддержание работоспособности резервов.

Это аккумуляторные батареи большой мощности с низкой удельной стоимостью хранения киловатт-часа, которые позволят сглаживать пики нагрузки и в ряде случаев ликвидировать неразрывность производства и потребления электрической энергии.

Утвержден Прогноз научно-технологического развития отраслей ТЭК России на период до 2035 года.С учетом Прогноза НТР Минэнерго России был разработан проект Энергетической стратегии России на период до 2035 года. В электроэнергетике повышению надежности функционирования национальных энергетических систем будет способствовать развитие технологий: 

- активно-адаптивных электрических сетей, технологических концепций Smart Grid и Энерджинет,

- внедрение систем автоматизированной защиты и управления электрическими подстанциями («цифровой подстанции»),

- нового электротехнического, электромеханического и электронного оборудования, применение новых конструкционных материалов, в том числе композитных, разработка материалов и технологий для проводов, а также появление высокотемпературных сверхпроводниковых материалов.

Также к числу перспективных технологических направлений, способных изменить будущий облик ТЭК, в документе, отнесены водородная энергетика, малая распределенная генерация с использованием возобновляемых источников энергии, фотоэлектрические преобразователи, сетевые накопители.

Схематично технологи «Smartgrid» можно разбить на две части: 1) интеллектуальные свойства отдельных устройств и 2) интеллектуальные свойства всей системы энергоснабжения (которая имеет протяженные размеры, десятки, сотни, тысячи километров).

    Именно с развитием цифровых систем, как отдельных устройств, так и целых систем энергоснабжения, связана актуальность предмета «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ».

Первая часть предмета, «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ», связана с внедрением микропроцессоров в различные устройства. Сравним микропроцессор (микроконтроллер) с обычным бытовым процессором, стоящим в домашних компьютерах.

    Как видим, все параметры микропроцессора в более чем в 100 раз меньше, чем у обычного домашнего процессора, стоящего в домашних компьютерах. Самое главное значение имеет начальная, минимальная цена простых микропроцессоров – порядка одного доллара. Такая малая цена приводит к тому, что во все устройства, стоимость которых примерно на порядок (в 10 раз) больше стоимости микропроцессора, можно встроить микропроцессор (различный по сложности, в зависимости от стоимости устройства), который будет полностью управлять и контролировать работу устройства. В результате буквально все технические устройства стали цифровыми, в них встроен микропроцессор.

Наличие микропроцессора добавляет новые, интеллектуальные свойства устройству:

· Кнопочное управление устройством,

· Алфавитно – цифровой, графический дисплей, голосовые, видео сообщения,

· Сложная логика управления.

Логика управления устройством определяется компьютерной программой, которая записана в память устройства. При этом современные элементы «флеш» памяти имеют весьма большую емкость – сотни гигабайт. Поэтому сложность логики управления устройством не ограничена емкостью памяти, а определяется, ограничивается двумя факторами:

· Фантазией разработчиков устройства,

· Возможностью потребителей (например: релейщиков) понять и использовать сложные алгоритмы управления устройством.

Например: Микропроцессорный терминалы релейной защиты серии «Sepam».

Задание на самостоятельную работу:

· Рассмотреть бытовые приборы, имеющие цифровое управление (сотовый телефон, микроволновая печь, стиральная машина, телевизор, цифровой плеер и т.д.).

· Рассмотреть применяемые в энергетике цифровые устройства (цифровой тестер «Ретометр», цифровое устройство настройки реле «Ретом-51», частотные преобразователи серии «Altivar», микропроцессорные терминалы релейной защиты серии «Sepam» и т.д.)

Вторая часть предмета, «Интерфейсы микропроцессорных терминалов», связанна с цифровыми сетями передачи данных, которые осуществляют контроль и управление системой энергоснабжения. То есть по силовым линиям электропередачи, передачи тепловой энергии – передается энергия на большие расстояния. Параллельно силовым сетям – проложены цифровые сети передачи данных. По этим каналам связи собираются данные контроля, передаются команды управления. Рассмотрим некоторые задачи, которые решают с использованием данной цифровой сети передачи данных.

· АСКУЭ. Автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии. Повсеместно устанавливаются цифровые счетчики электроэнергии (тепловой энергии). Данные со счетчиков передаются по цифровым линиям связи в единый центр. Пример цифровых счетчиков электроэнергии можете наблюдать дома: цифровой счетчик электроэнергии, данные с которого автоматически передаются снабжающей организации.

· ТСДТУ. Технические средства диспетчерского и технологического управления. По цифровым сетям связи передаются команды управления системой энергоснабжения.

· Системы защиты и автоматики управления системой энергоснабжения. Высокочастотные защиты воздушных линий электропередачи. В этом типе защиты непосредственно по проводам воздушной линии электропередачи передаются высокочастотные сигналы, которые использует релейная защита (ВЧ блокировка, Дифференциально - Фазная Защита).

· Дифференциальные защиты линий электропередачи. Следующее поколение высокочастотных защит. Для передачи данных используются волоконно – оптические линии, проложенные вдоль воздушной линии электропередачи.

· Распределенные системы автоматической частотной разгрузки (АЧР). Системы частотной разгрузки обычно отключают целые предприятия. Для уменьшения ущерба у потребителей, системы частотной разгрузки заходят внутрь предприятия и отключают отдельные объекты у потребителей. Так например в больнице можно последовательно отключать до 80% нагрузки, не трогая реанимацию и операционные.

Кроме того, что по линиям связи передаются цифровые данные, современные устройства связи сами являются цифровыми, управляются микропроцессором, формируют сигналы передатчика цифровым способом.

Например: цифровые системы связи по ЛЭП «ABBETL600».

Задание на самостоятельную работу:

· Рассмотреть бытовые связные приборы, имеющие цифровое управление (проводной телефон, сотовый телефон, телевизор, и т.д.).

· Рассмотреть применяемые в энергетике цифровые связные устройства (устройства ВЧ связи по ЛЭП, устройства оптоволоконной связи, применение GPS приемников для позиционирования, для получения сигналов точного времени и т.д.)

(л.1.в.1) входные сигналы микропроцессорных блоков релейной защиты: логические сигналы, аналоговые сигналы (напряжение, ток), датчики температуры, датчики частоты. Цифровые измерительные трансформаторы – оптический сигнал (оптоволокно).

Классификация входных сигналов микропроцессорных терминалов РЗА.

Аналоговые,логические, цифровые (после АЦП).

Физические (от измерительных устройств), расчетные (терминал рассчитывает в цифровом виде, на основе физических сигналов).

Аналоговые: физические (с датчиков).

· С измерительных трансформаторов тока поступает ток 1А или 5А (номинальное значение).

· С измерительных трансформаторов напряжения поступает напряжение 100В (номинальное значение), фазное (напряжение фазного провода относительно земли) или линейное (напряжение между двумя фазными проводами).

· С датчиков температуры (термосопротивление, обычно R=100 Ом при t°=0 Цельсия, из Ptплатины или Niникеля).

Логические: используются для передачи логических сигналов: 

· от терминала до выключателей (команды включения, отключения терминала,

· контрольный сигнал о состоянии выключателя),

· логические сигналы между терминалами (например: для формирования логической защиты шин, ЛЗШ, для передачи команд ускорения защит и т.д.),

· с датчиков числа оборотов вращающихся машин (двигателей и генераторов), обычно один импульс на один оборот.

Расчетные (цифровые, на основе цифровых физических сигналов после АЦП).

· На основе фазных напряжений и токов – рассчитываются симметричные составляющие: нулевая, прямая и обратная последовательности (Io, I1, I2, Uo, U1, U2). В англоязычной литературе встречаются другие обозначения: Io, Id (direct), Ii (inverse).

· На основе токов и напряжений – рассчитываются активная, реактивная и полная мощность (P, Q, S). Причем активная и реактивная мощности имеют знак (могут быть положительными или отрицательными), полная мощность – только положительная.

· На основе напряжения – рассчитывается частота (номинальное значение F=50Гц).

· На основе значения термосопротивления – рассчитывается температура объектаt°(прямое измерение температуры).

· На основе значения тока объекта (например: кабеля) - рассчитывается температура объекта t°(косвенное измерение температуры).

· На основе тока и напряжения – рассчитывается комплексное (полное) сопротивление X(в защитах по сопротивлению, в дистанционных защитах).

· На основе параметров тока по двум сторонам объекта (I’ и I”) – рассчитываются рабочий и тормозные токи в дифференциальных защитах объектов.

· На основе токов и напряжений – рассчитываются амплитуды первой (F1=50Гц) и высших (Fi=i*F1) гармоник. Для этого применяют преобразование Фурье (или быстрое преобразование Фурье БПФ). Так терминал Sepam определяет амплитуды до 13ой гармоники. Амплитуда первой гармоники (тока и напряжения) используется для работы защит, высшие гармоники используются для определения переходных процессов в сетях (существует одна защита по напряжению третей гармоники - защита статора генератора, двигателя).

    Для более компактной записи используют оператор фазы (или фазный множитель) a = e ^j⋅120. Это такой вектор, скалярная величина которого равна 1 и который в комплексной плоскости образует с положительной осью вещественных количеств угол 120°. Умножить вектор на оператор фазы – значит повернуть его на 120°против часовой стрелки, не изменив величины. Повторное умножение на оператор – поворот вектора на тот же угол по часовой стрелке или на 240°против часовой стрелки, ещё одно умножение на оператор фазы возвращает вектор в исходное положение.

Положительное направление вращения векторов – против частовой стрелки. A опережает В, В опережает С – на 120 градусов.

Для измерения температуры объектов используют проволочные термосопротивления из платины (или никеля). Зависимость сопротивления термосопротивления Pt100 от температуры показана на рисунке (ссопротивление увеличивается почти линейно с увеличением тепературы).

1. Активная мощность: обозначение P, единица измерения: Ватт

P = I*U*Cos ф

2. Реактивная мощность: обозначение Q, единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)

P = I*U*Sin ф

3. Полная мощность: обозначение S, единица измерения: ВА (Вольт Ампер)

4. Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ, единица измерения: безразмерная величина

Эти параметры связаны соотношениями: S*S=P*P+Q*Q, cosФ=k=P/S

Также cosФ называется коэффициентом мощности (Power Factor – PF)

Построение релейных защит на основе входных физических и расчетных сигналов:

На основе одного сигнала: Максимальные – минимальные. Например МТЗ – максимально токовая защита, защита минимального напряжения).

На основе двух сигналов: Направленные (ток + активная мощность, например: направленная МТЗ), с учетом напряжения (ток + напряжение, например: МТЗ с пуском по напряжению), дифференциальные (продольные, например: ДФЗ, ВЧБ, ДЗЛ; поперечные, например: поперечная токовая защита двух параллельных линий) (на основе двух токов).

С передачей сигналов по линии (по проводам ЛЭП – ВЧ связь по ЛЭП, по оптоволокну, логические сигналы): ВЧ защиты (ДФЗ, ВЧБ), ДЗЛ, Логическая защита шин ЛЗШ (логическая селективность).

Выходная цепь логических сигналов терминалов – контакт реле («сухой контакт»), обычно контакт электромеханического или твёрдотельного реле.

Входная цепь логических сигналов терминалов – преобразователь уровней (220В -> 5В), триггер Шмидта (с гистерезисом перехода с «1» на «0» и с «0» на «1», например: переход с 0 на 1 переходит при превышении напряжения на логическом входе выше 120В, обратный переход с 1 на 0 переходит при уменьшении напряжения ниже 100В).

Схема передачи логических сигналов – оперативное питание (+220В) подается на выходной контакт реле, второй контакт реле соединен со входом логических сигналов, второй контакт входа – соединен с оперативным питанием(-220В).

Входная цепь датчика температуры (проволочного термосопротивления Pt100)  – устройство преобразующее сопротивлениеRдатчика в напряжение, и далее определение температуры объекта t° по паспортной кривой зависимости сопротивления R от температуры.

Датчик частоты вращения двигателей, генераторов – на стенку вращающегося вала прикрепляют магнит, рядом располагают датчик магнитного поля, который при прохождении магнита рядом с датчиком магнитного поля выдает 1 импульс (на каждый оборот машины 1 логический сигнал). Подсчитывая число импульсов в минуту – определяем скорость вращения вала.

Цифровые измерительные трансформаторы – измеренные значения тока и напряжения выдаются в виде цифрового оптического сигнала (передается по оптоволокну). В отличие от обычных измерительных трансформаторов не содержат железный сердечник, поэтому не подвержены насыщению, ферро магнитному резонансу, оптоволоконный кабель связи обеспечивает гальваническую развязку измерительного трансформатора (который обычно располагается на ОРУ) от устройств релейной защите (ОПУ).

--------------------

(л.1.в.2) параметры логических сигналов, аналоговых сигналов (напряжение, ток), датчиков температуры - микропроцессорных блоков релейной защиты. Параметры оптических сигналов: оптический интерфейс (разъем) – без искровой, в агрессивной среде не окисляется, оптоволокно – не передаются напряжения грозовые и КЗ.

---------------------

Амплитуда логических сигналов – 0 -> 0B, 1 -> +220B. Иными словами, логические сигналы (например: команда от терминала на отключение выключателя) передаются уровнем оперативного питания 220В. Большой уровень необходим для защиты от помех при прохождении логических сигналов по линиям связи (кабелям) по ОРУ (среда с высоким уровнем помех – например коммутационные помехи).

На выходе терминала логический сигнал формируется с помощью контакта реле. На входе другого терминала стоит триггер Шмидта, который выдает логический сигнал «1» при превышении уровня сигнала на входе порогового значения, например, 70 вольт. На высоковольтном выключателе логический сигнал подается на соленоид отключения (или соленоид включения). В качестве линии связи применяются обычные медные кабели.

Амплитуда аналогового сигнала напряжения – синусоидальное напряжение 100В (вторичная величина измерительного трансформатора напряжения, при номинальном значении первичного напряжения), частотой 50Гц (1-ая гармоника)

Амплитуда аналогового сигнала тока - синусоидальный ток 1А или 5А, (вторичная величина измерительного трансформатора тока, при номинальном значении первичного тока), частотой 50Гц (1-ая гармоника)

Входная цепь аналогового сигнала – преобразователь (трансформатор) входной величины в стандартный сигнал (0 – 5 В), далее фильтр нижних частот (0 – 650 Гц) (пропускает с 1-ой по 13-ю гармонику частоты 50Гц), полученный в результате такой обработки сигнал подается на АЦП.

Измерение гармоник – по амплитуде тока, напряжения 1-ой гармоники 50Гц работают защиты, высшие гармоники (со 2-ой по 13) – для обнаружения переходных процессов.

    Параметры оптических сигналов: оптический интерфейс (разъем) – без искровой (можно применять во взрывоопасной среде, например в шахтах), в агрессивной среде не окисляется, оптоволокно – не передаются перенапряжения, возникающие при попадании молнии и при коротких замыканиях.

(л.2.в.1) Структура микропроцессорных блоков релейной защиты: АЦП, АЛУ, ЦАП, ОЗУ, ПЗУ, дисплей, клавиши управления, сигнальные светодиоды, выходные реле.

-------------

Микропроцессор –

Все элементы расположены в одном корпусе (ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, АЦП, ЦАП)

Малые размеры, малая стоимость, малая рабочая частота (~100МГц).

Предназначен для встраивания в оборудование, предавая интеллектуальные свойства:

- сложные логики управления,

- цифровое отображение,

- кнопочное управление.

-------------------

Требования к АЦП – преобразует входные аналоговые сигналы в цифровую форму, для последующей обработки сигналов в цифровом виде.

-------------------

Требования к ПЗУ – хранение программы работы устройства, Перепрограммируемое ПЗУ – хранение настроечных параметров (уставок), сохраняющихся при потере питания.

-------------------

Требования к ОЗУ – выполнение программы управления устройством, непрерывная запись рефлектограмм (запись сигналов тока, напряжения, логических сигналов – во время аварийного процесса).

-------------------

Арифметическое Логическое Устройство – управляет работой устройства, по программе, заложенной в ПЗУ. Выполняет арифметические (сложение, вычитание) и логические (операции сравнения, битовые операции) команды.

-------------------

Требования к ЦАП – формирует аналоговый сигнал, на основе цифровой информации.

-------------------

Алфавитно-цифровой дисплей, графический дисплей – отображение измеренных значений, меню настройки (параметрирования) устройства, отображение сообщений о событиях (аварийных ситуациях), графическое отображение схемы сети.

-------------------

Клавиши управления – управление устройством (ввод пароля доступа, параметрирование – ввод уставок, включение/отключение защит), клавиши управления меню (стрелки вверх, вниз, влево, вправо, ввод), клавиши быстрого доступа к пунктам меню.

-------------------

Сигнальные светодиоды – для быстрого отображения наступления событий (включено, авария, …), возможность назначать (при параметрировании) каждому светодиоду разные события.

-------------------

Выходные реле – контакты реле (герконовое) формируют выходной логический сигнал, нормально разомкнутый, нормально замкнутый контакт реле.

-------------------

RS232 (на современных терминалах появились USB) – интерфейс (разъём) на передней панели терминала, для подключения компьютера, настройка терминала, скачивание осциллограммы, загрузка новой прошивки терминала.

RS485 – интерфейс (разъём) на задней панели терминала, для подключения к сети предприятия, удаленный контроль и управление терминалом.

-------------------

(л.2.в.2) обработка сигналов в микропроцессорных блоках релейной защиты: входной фильтр низких частот для аналоговых сигналов, параметры АЦП (частота дискретизации по времени, точность дискретизации по амплитуде).

----------------------

Входной фильтр низких частот для аналоговых сигналов - ФНЧ – (0-650Гц), пропускает сигналы от 1-ой до 13-ой гармоники промышленной частоты 50Гц. Отсекает все мешающие сигналы (помехи) с частотой выше 650Гц.

--------------------

Параметры АЦП (частота дискретизации по времени, точность дискретизации по амплитуде) –

- точность измерения лучше 1% (типовое значение точности измерения токов и напряжений микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики),

- 8 бит формат выходных данных АЦП, достаточное для получения точности 1% (минимальное значение, обычно 10 – 14 бит, с учётом расширения диапазона входных сигналов выше номинальных, для тока – до 40 крат превышение номинальных токов при коротких замыканиях),

- измерение 26 точек за период Т1=0,02сек промышленной частоты 50Гц (минимальное значение, необходимое для измерения гармоник с первой до тринадцатую, обычно 36 точек и более),

- время преобразования – лучше 2 миллисекунды (при минимальном значении 26 точек за период Т1=0,02сек промышленной частоты 50Гц).

------------------

Обработка сигналов в микропроцессорных блоках релейной защиты –

- Обработка программ различных защит, автоматики (сравнение измеренных значений, вычисленных значений – с уставками защит, подачи сигналов о срабатывании защит, подачи команд на отключение выключателя).

- Постоянная запись (во временную кольцевую область памяти ОЗУ) параметров (тока, напряжения, состояния логических сигналов), при срабатывании защит – запись (на основе информации, записанной во временную кольцевую область памяти ОЗУ) цифровой осциллограммы (сигналы до и после момента срабатывания защиты).

- Формирование сигналов телесигнализации - передача сигналов по цифровым линиям связи (RS485, Ethernet) на диспетчерский центр (приём сигналов телеуправления). 

- Работа устройства под управлением компьютера, подключенного к устройству (к порту RS232, USB – для настройки терминала).

--------------------------------

Физические сигналы (получаемые от датчиков) –

- Определение амплитуды, фазы, частоты 1-ой гармоники 50Гц – входных аналоговых сигналов (три фазы тока, напряжения, нулевой последовательности тока, напряжения).

- Определение амплитуд гармоник от 1-ой (50Гц) до 13-ой (650Гц) входных сигналов.

- На основе измеренного переменного напряжения – определяется частота промышленной сетиF1 (в диапазонеот 20Гц – до 100Гц).

- На основе логических импульсных сигналов с датчика оборотов – подсчитывается частота вращения машин (генераторов, двигателей).

- На основе измерения величины сопротивленияR датчика температуры (термосопротивления) – определяется температура контролируемого оборудования.

------------------------------------

Вычисляемые сигналы (на основе физических сигналов).

На основе измеренных значений трехфазных токов и напряжений – вычисляются: активная, реактивная, полная мощность, симметричные составляющие (прямая, обратная, нулевые последовательности) тока и напряжения, гармоники сигналов тока и напряжения.

На основе проходящего по оборудованию тока (который нагревает оборудование), с учетом условий работы оборудования (температуры окружающей среды, работы вентиляторов охлаждения) – путем непрерывного решения дифференциальных уравнений вычисляется температура оборудования.

Вопросы для самопроверки

Опишите входные сигналы микропроцессорных блоков релейной защиты и их параметры: логические сигналы, аналоговые сигналы (напряжение, ток), датчики температуры, датчики частоты (напряжения, оборотов вращающихся машин – генераторов и двигателей).

Опишите вычисляемые сигналы (на основе входных физических сигналов): активная, реактивная, полная мощность, нулевая, прямая, обратная симметричные последовательности, сопротивление (на основе тока и напряжения), рабочий и тормозной токи (дифференциальные защиты), вычисляемая температура, гармоники тока и напряжения (первая гармоника – срабатывание защит, высшие гармоники – обнаружение переходных процессов) - микропроцессорных блоков релейной защиты.

Какова структура микропроцессорных блоков релейной защиты, назначениеблоков: АЦП, АЛУ, ЦАП, ОЗУ, ПЗУ, дисплей, клавиши управления, сигнальные светодиоды, выходные реле?

Опишите обработку сигналов в микропроцессорных блоках релейной защиты: входной фильтр низких частот для аналоговых сигналов, параметры АЦП (частота дискретизации по времени, точность дискретизации по амплитуде).

Раздел 2. Преобразователи входных сигналов

(л.3.в.1) Компаратор. АЦП прямого преобразования.

--------

Компаратор – устройство для сравнения двух напряжений (подаются на два входа компаратора), выходной сигнал – логический («0» или «1»).

-----------

Процесс измерения – сравнение с эталоном (сколько эталонов содержится в измеряемой величине). Первые механические весы – 4000 лет назад, Египет).

-----------

Эталон – мера для измерений (международный, национальный, региональный – эталоны).

-----------

Эталон напряжения –

В основу эталона положен метод преобразования частоты в электрическое напряжение на основе эффекта Джозефсона в сверхпроводниках

-----------

Эталон тока –

В основу эталона положены методы измерений, использующие квантовый эффект Джозефсона, квантование магнитного потока, а также методы электрометрии.

-----------

Эталон времени (частоты) –

Эталон воспроизводит значение единиц времени СИ - секунды и герца в соответствии с действующим международным определением: секунда есть время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133 (Cs, хим. элемент I гр. периодической системы, атомный номер 55, атомная масса 132,9054; относится к щелочным металлам. Природный цезий состоит из стабильного нуклида 133Cs).

-----------

Эталон длины -

В основу эталона положено определение единицы длины "метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды (точно)".

--------------

АЦП прямого преобразования – состоит из набора эталонных напряжений, подключенных к набору компараторов (эталонные напряжения подаются на отрицательные входы компараторов), на положительные входы компараторов подаётся входной сигнал напряжения, выходные логические сигналы всех компараторов формируют выходной цифровой сигнал АЦП.

----------

Достоинства АЦП прямого преобразования – простота схемной реализации (состоит из эталонов и компараторов), максимальная скорость преобразования (определяется скоростью работы компараторов).

------------

Недостатки АЦП прямого преобразования – для создания N – битного АЦП потребуется использовать (2^N -1) компараторов.

-------------

(л.3.в.2) ЦАП прямого преобразования. Широтно-Импульсная Модуляция (ШИМ).

------------

ЦАП прямого преобразования – состоит из набора эталонных источников тока, подключенные к выходной цепи через ключи, величины эталонных источников тока сформированы как геометрическая прогрессия от 2: 2ⁱ , где i = 0,1,2… Ключи управляются битами входного цифрового сигнала (бит = 1 – ключ включен, бит = 0 – ключ отключен).

    Для данной схемы ЦАП, для получения выходного тока 7А подаётся цифровой сигнал управления 7 (десятичное значение), или 0111 (двоичное значение). В результате замыкаются второй (подключая к выходной шине источник эталонного тока 4А), третий, и четвёртые ключи, все вместе (4+2+1) подключенные источники эталонного тока формируют выходной ток 7А.

------------

Достоинства ЦАП прямого преобразования – простота схемной реализации (состоит из эталонов тока и ключей), максимальная скорость формирования выходного аналогового сигнала (определяется скоростью работы ключей), для создания N – битного ЦАП потребуется использовать N эталонов, и N ключей.

--------------

АЦП последовательного приближения. Принцип работы заимствован от принципа работы механических весов: гирьки весов заменяютсявыходным сигналом ЦАП, вес гирек – выход ЦАП - прикладывается к одному входу весов (к компаратору), на второй вход – подаётся измеряемая величина, гирьки меняем по бинарному принципу – с наибольшего значения, и далее в зависимости от стрелки весов (от выходного сигнала компаратора).

--------------

Широтно-Импульсная Модуляция (ШИМ) – метод формирование аналогового сигнала на основе цифрового сигнала, основан на формировании периодического импульсного сигнала, при этом длительность импульсов сигнала определяется входным цифровым сигналом, период остается неизменным. На выходе – фильтр низких частот, не пропускает частоты периодического импульсного сигнала.

--------------

Достоинства ШИМ – простота схемной реализации (в основе – один ключ, формирующий выходной импульсный сигнал), возможность формирования мощных аналоговых сигналов (киловатты).

--------------

На основе ШИМ работает частотный преобразователь (из напряжения +300В и -300В создает синусоидальное напряжения частотой от 0 до 300 Гц).

--------------

Уметь – определить среднее значение выходного сигнала ШИМ, по заданной величине длительности импульсов и периоду ШИМ.

--------------

Уметь - определить длительности импульсов выходного сигнала ШИМ, по заданной величине среднего значения выходного сигнала ШИМ и периоду выходных импульсов.

--------------

Где расположены АЦП:

- в терминале релейной защиты,

- выносной блок АЦП (устанавливается вблизи измерительных трансформаторов),

- цифровые измерительные трансформаторы – с АЦП внутри.

Определение амплитуды и фазы

синусоидального сигнала

С появлением микропроцессоров (микроконтроллеров) обработка сигналов, обработка информации идет в цифровом виде. Рассмотрим процесс обработки информации на примере простого токового реле, токовой отсечки, которое срабатывает при превышении амплитуды Iамп входного тока I реле - токовой уставки Iср реле:

Iамп >Iср

Поэтому для действия релейной защиты – необходимо определить амплитуды Iамп входного тока. Релейная защита получает входные сигналы, входной ток I и входное напряжение U, от измерительных трансформаторов тока ТТ и напряжения ТН (вторичные ток I и напряжение U измерительных трансформаторов тока ТТ и напряжения ТН, пропорциональные первичным току и напряжению в линии): 

При этом первой задачей микропроцессорных терминалов релейной защиты является определение параметров синусоидального (для простоты рассмотрения принципа работы) входного тока I и входного напряжения U:

I = Iамп*sin(w₁*t+j₁)

U = Uамп*sin(w₁*t+a₁)

Определяемые параметры - это амплитуда тока Iамп и амплитуда напряжения Uамп, фаза тока j₁ и фаза напряжения a₁ , где t - время. Частота первой гармоники тока и напряжения w₁ заранее определена, и при определении амплитуды и фазы – w₁ уже известна.

Процесс обработки входных сигналов тока I и напряжения U включает в себя:

· преобразователь уровней ПУ, который преобразует все входные сигналы к одному стандартному напряжению, например к уровню 5В.

· фильтр нижних частот ФНЧ, предназначенный для подавления всех мешающих сигналов.

· и аналого-цифровой преобразователь АЦП, который преобразует аналоговые входные сигналы, получаемые от измерительных трансформаторов, в цифровые сигналы.

На выходе АЦП мы получаем набор чисел Ii, Ui, измеренные АЦП ток I и напряжение U в моменты времени t_i = i*Dt, где i – целые числа 0, 1, 2…, Dt – время преобразования АЦП (соответствующая частота дискретизации АЦП Fдискр=1/Dt).

Например, для тока I = Iамп*sin(w₁*t+j₁), у которого амплитуда Iамп=1А, w₁ = 2p*F₁, F₁ = 50Гц, фаза j₁ = p/2, форма сигнала выглядит следующим образом:

Показан один период Т=20мсек частоты F₁ = 50Гц, отмечены моменты, в которых АЦП измеряет амплитуду тока, показаны измеренные величины Ii (числа на выходе АЦП, которые появляются в моменты времени t_i = i*Dt), величина Dt=Т/8=1,25мсек.

Вопрос, на который следует ответить: как, зная частоту F₁, интервал дискретизации Dt, измеренные с помощью АЦП амплитуды [1; 0,7; 0; -0,7;-1; -0,7; 0; 0,7; 1] – определить амплитуду Iамп и фазу j₁входного тока? При этом если амплитуда Iамп имеет абсолютное значение, то фаза j₁входного тока определяется относительно опорного Sоп синусоидального сигнала, имеющего равную с входным сигналом частоту и амплитуду равную единице:

Sоп = sin(w₁*t)

Опорный сигнал Sопi вычисляется самим микропроцессором в моменты времени i*Dt:

Sопi = sin(w₁* i*Dt)

------------------

(л.4.в.1) Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: по максимуму и минимуму сигнала.

--------------

Амплитуда синусоидального сигнала – U = U₁ * sin( w₁t + φ₁ ), где U₁ – амплитуда первой гармоники w₁ , φ₁ – фаза (относительно опорного синусоидального сигнала, с частотой w₁).

--------------

Опорный синусоидальный сигнал – формируется в памяти микропроцессорного блока релейной защиты, Uоп = sin(w₁*t), w₁– частота первой гармоники. Относительно Uоп определяются фазы всех аналоговых сигналов (токов, напряжений, мощностей).

--------------

Определение амплитудыU₁синусоидального сигнала: по максимумуUmaxи минимумуUminсигнала – U₁ = (Umax – Umin)/2.

--------------

Определение фазыφ синусоидального сигнала: по максимумуUmax (или минимумуUmin)сигнала –

· φ = 360 (dT / T) (в градусах),

· φ = 2p (dT / T) (в радианах),

где dT временной интервал между Umax сигнала, и ближайшим моментом Uоп,max (когда опорный сигнал максимален), Т – период синусоидального сигнала.

--------------

Уметь – определять амплитуду и фазу синусоидального сигнала: по максимуму и минимуму сигнала, по заданной форме входного и опорного сигналов.

--------------

(л.4.в.2) Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: по действующему значению сигнала.

--------------

Действующее значение переменного напряжения (тока) – такое постоянное напряжение (ток), которое нагревает активное сопротивление так же, как (в среднем за период) нагревает соответствующее переменное напряжение (ток).

--------------

Интегральное определение действующего значения – квадратный корень (от интеграла квадрата переменного напряжения U (тока) за период T, деленного на период T).

Uдз = Ö [ (1/Т) ∫^ТU²dt]

--------------

Дискретное определение действующего значения – квадратный корень (от суммы квадрата переменного напряжения U_i (тока) (числа на выходе АЦП) за период T, деленного на число точек N измерения АЦП переменного напряжения U за период T).

Uдз = Ö [ (1/N) å_i=1,NU_i ² ]

---------------

Уметь – определить действующее значение Uдзпо заданным N точкам измерения АЦП переменного напряжения U за период T.

---------------

Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: по действующему значению сигнала – Амплитуда синусоидального напряжения:

U₁ = Uдз * Ö2 .

Фаза φ данным методом не определяется.

---------------

Уметь – определить Амплитуду синусоидального напряжения U₁по действующему значение Uдзпо заданным N точкам измерения АЦП переменного напряжения U за период T.

---------------

Достоинство метода Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: по действующему значению сигнала – простота вычислений, необходимо знать период переменного напряжения (тока), недостатки – зависимость точности метода от формы переменного напряжения (при отклонении от синусоидальной формы сигнала, при появлении гармоник – появляются ошибки определения амплитуды).

---------------------

(л.5.в.1) Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: по производной сигнала по времени.

----------------------

U = U₁*sin(w₁*t + φ) – входной сигнал - Ui

-----------------------

U’ = U₁* w1 * cos(w₁*t + φ) – производная входного сигнала

---------------------

Вычисление производной в цифровом виде

U’ = (U(i+1) – Ui)/Dt

---------------------

Если известна частота сигнала w1:

U₁ = Ö[U² + (U’ / w₁)²]

----------------------

Влияние формы сигнала (наличие гармоник)

U = U₁*sin(w₁*t + φ₁) + U₂*sin(w₂*t + φ₂) + …

Производная

U’ = U₁* w₁ * cos(w₁*t + φ₁) + U₂* w₂ * cos(w₂*t + φ₂) + …

w₂ = 2*w₁

и при вычислении амплитуды – получим ошибку, поскольку при вычислении амплитуды используется частота первой гармоники w₁.

----------------------

(л.5.в.2) Определение амплитуды и фазы синусоидального сигнала: методом синхронного детектора (Фурье преобразования).

--------------------

Синхронный фазовый детектор –

- Определяет амплитуду первой гармоники U₁

Интеграл за период – работает как фильтр нижних частот, и не пропускает (результат интегрирования  равен нулю) синусоидальные сигналы, пропускает (не меняет значение) постоянные сигналы (такие как U₁*sin(j₁) и U₁*cos(j₁) ).

-------------------------------

Для вычисления произведения опорного сигнала и входного сигнала – полезны следующие тригонометрические соотношения.

-------------------------------

Сигнал S(t) называется периодическим, если все его значения повторяются через промежуток времени k*T, где T – наименьший период повторения сигнала, k – целое значение. Такой сигнал можно разложить в гармонический ряд Фурье [1]:

где: – постоянная составляющая сигнала,  (2) – циклическая частота первой гармоники, обратно пропорциональна периоду сигнала,

Зависимость a_n, b_n– от частоты – называется спектром сигнала: это набор амплитуд косинусоидальных и синусоидальных сигналов гармоник, с частотами через , где Т – период повторения временного поведения сигнала.

Рассмотрим некоторые закономерности, вытекающие из данных формул.

· Симметричные (относительно центра периода Т) сигналы будут иметь только a_n отличные от нуля, все b_n будут равны 0. Соответственно ассиметричные сигналы будут иметь только b_n отличные от нуля.

· Сигнал с одной частотой sin(n∙w∙t + j), но с разными фазами j – будет иметь разные комбинации a_n, b_n одной гармоники n:

· при j=0 – ( + b_n )

· при j=90° – ( a_n )

· при j=180° – ( - b_n )

·  при j=270° – (-a_n )

· Чем более резкие изменения амплитуды сигнала во времени, тем более широкий спектр (гармоники с большими номерами n) имеет данный сигнал (и наоборот).

------------------------------------

Для изучения Фурье преобразования полезна следующая дополнительная литература:

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Радио и связь, 1994, стр. 9-22.

--------------------------

Вопросы для самопроверки

Опишите применение компаратора в АЦП прямого преобразования.

Опишите ЦАП прямого преобразования, Широтно Импульсную Модуляцию (ШИМ).

Как определяется амплитуда и фаза синусоидального сигнала по максимуму и минимуму сигнала?

Как определяется амплитуда и фаза синусоидального сигнала по действующему значению сигнала?

Как определяется амплитуда и фаза синусоидального сигнала по производной сигнала по времени?

Как определяется амплитуда и фаза синусоидального сигнала методом синхронного детектора (Фурье преобразования)?

Раздел 3. Фильтрация сигналов

С появлением микропроцессоров (микроконтроллеров) обработка сигналов, обработка информации идет в цифровом виде. Процесс обработки входных сигналов тока I и напряжения U включает в себя преобразователь уровней ПУ, фильтр нижних частот ФНЧ и аналого-цифровой преобразователь АЦП:

В процессе обработки входных сигналов возникает задача частотной фильтрации сигналов. Во первых, перед АЦП обязателен аналоговый фильтр низких частот ФНЧ, задачи которого следующие:

· Подавить (уменьшить) сигналы, частота которых выше частоты измеряемого сигнала. Современные микропроцессорные терминалы релейной защиты измеряют амплитуды тока и напряжения первой гармоники, частота которой F₁ = 50 Гц (или очень близка к этой частоте, отличаясь от нее в нормальном режиме не более чем на 0,1 Гц). Кроме этого, современные терминалы измеряют амплитуды высших гармоник F_i= F₁ *i. Так терминалы серии «Sepam» измеряют амплитуды высших гармоник вплоть до 13-ой гармоники F₁₃=F₁*13=650 Гц. Таким образом, рабочий диапазон частот входных сигналов от 0 Гц до 650 Гц, все частоты выше 650 Гц – мешающие, и их необходимо подавить. Амплитуды тока и напряжения первой гармоники используются для работы релейной защиты, амплитуды высших гармоник используются для обнаружения переходных процессов в энергосистеме.

· Подавить (уменьшить) сигналы, частота которых кратны частоте дискретизации АЦП. АЦП измеряет ток I и напряжение U в моменты времени t_i = i*Dt, где i – целые числа 0, 1, 2…, Dt – время преобразования АЦП, соответствующая частота дискретизации АЦП Fдискр=1/Dt. Сигнал шума, имеющий частоту Fшума кратную частоте дискретизации - Fшума= Fдискр*n, где n- целое значение (1, 2, 3, …), после АЦП не отличим от рабочего сигнала. Поэтому аналоговый фильтр низких частот ФНЧ должен подавить все такие сигналы шума.

После АЦП сигнал становится цифровым (имеются наборы чисел Ii, Ui, измеренные АЦП ток I и напряжение U в моменты времени t_i = i*Dt, где i – целые числа 0, 1, 2…) также может возникнуть потребность в частотной фильтрации сигналов. Цифровые сигналы фильтруются цифровыми фильтрами: на входе цифрового фильтра имеется один набор чисел Iiвх,Uiвх, на выходе цифрового фильтра получаем другой набор чисел Iiвых, Uiвых.

-----------

(л.6.в.1) ФНЧ, ФВЧ, Полосовой фильтр, Заградительный фильтр – зависимость коэффициента передачи фильтра от частоты, зависимость сдвига фазы фильтра от частоты.

---------------

Фильтр – устройство, коэффициент передачи которого зависит от частоты сигнала.

------------------

Коэффициент передачи К=Uвых/Uвх

-----------------

ФНЧ – фильтр низкой частоты, пропускает частоты от 0Гц до Fверхняя частота полосы пропускания, графически обозначают как прямоугольник, имеющий вход и выход, и внутри прямоугольника две волнистые линии, верхняя перечеркнута.

-----------------

схемаRC, RL фильтра низкой частоты, полоса частот как функция τ=R*C и τ=L/R.

-----------------

ФВЧ – фильтр высокой частоты, пропускает частоты от F нижняя частота полосы пропускания до бесконечной частоты, графически обозначают как прямоугольник, имеющий вход и выход, и внутри прямоугольника две волнистые линии, нижняя перечеркнута.

-----------------

схемаRC, RL фильтра высокой частоты, полоса частот как функция τ=R*C и τ=L/R.

Характерные частоты ɷс среза фильтров – когда коэффициент пропускания равен 0,5 – связаны с постоянной времени τ: ɷс=1/τ. При частоте ɷс сравниваются сопротивления двух элементов (R - L, R - C) синусоидальному сигналуɷс.

-----------------

Полосовой фильтр – фильтр, пропускающий частоты в некотором диапазоне, пропускает частоты от F нижняя частота полосы пропускания до Fверхняя частота полосы пропускания, графически обозначают как прямоугольник, имеющий вход и выход, и внутри прямоугольника три волнистые линии, крайние перечеркнуты.

-----------------

схема полосового RLC фильтра, центральная частота, полоса пропускания.

-----------------

Заградительный фильтр – фильтр, не пропускающий частоты в некотором диапазоне, пропускает частоты от нуля до F нижняя частота полосы заграждения, и от Fверхняя частота полосы заграждения до бесконечности, графически обозначают как прямоугольник, имеющий вход и выход, и внутри прямоугольника три волнистые линии, средняя перечеркнута.

-----------------

схема заградительного RLC фильтра, центральная частота, полоса пропускания.

Центральные, резонансные частоты ɷо полосового и заградительного фильтров равны: ɷс = √(1/L*C).

--------------------

зависимость коэффициента передачи фильтра от частоты – график зависимости коэффициента передачи фильтра K=(Uвх/Uвых) (вертикальная ось) от частоты F (горизонтальная ось) входного сигнала (на примере ФНЧ).

---------------

зависимость сдвига фазы фильтра от частоты – если на частоте F коэффициент передачи фильтра зависит от частоты (имеет наклон), то выходной сигнал фильтра имеет сдвиг фазы относительно входного сигнала.

---------------

Зависимость сдвига фазы для RC, RL фильтра низкой частоты, фильтра высокой частоты, полосового и заградительного фильтра.

Для моделирования, изучения работы аналоговых фильтров вы можете скачать студенческую версию программы «Multisim for Educators» со страницы фирмы :

https://lumen.ni.com/nicif/us/academicevalmultisim/content.xhtml . Схемы фильтров данной лекции собраны как раз в этой программе.

---------------

(л.6.в.2) Цифровые фильтры: рекурсивный, не рекурсивный фильтры.

--------------

Цифровые фильтры – имеющие цифровой входной и выходные сигналы (последовательность чисел), и коэффициент передачи фильтра зависит от частоты входного сигнала, осуществляющих однозначное преобразование входной цифровой последовательности x[n*Tд] в выходную последовательность y[n*Tд]. Здесь Tд – период дискретизации

--------------

В общем случае алгоритм ЦФ описывается линейным разностным уравнением М-того порядка с постоянными коэффициентами.

где ак, bк – коэффициенты разностного уравнения, M – число выборок, кроме текущей, учитываемых при цифровой обработке.

---------------------------

рекурсивный ЦФ (от слова «рекурсия» – повтор). Под рекурсией понимается, что выходной сигнал в каждый момент времени зависит от выходного сигнала в предыдущий момент времени. Рекурсия означает повторное использование выходного сигнала в вычислениях.

, и b₀ =0

------------------------

Нерекурсивный ЦФ является частным случаем рекурсивного, когда выходной сигнал определяется лишь входным сигналом.

----------------------------

Примером простейшего ЦФ, использующим две предшествующие выборки входного сигнала является следующий алгоритм:

Этот алгоритм производит сглаживание входного сигнала. Алгоритм сглаживания подразумевает непропускание (отфильтровывание) ВЧ составляющих сигнала. Таким образом, алгоритм является ФНЧ. Для сглаживания можно использовать и большее число точек, при этом уменьшается полоса пропускания.

--------------------------

Уметь: построить выходной сигнал y(nT_Д) цифрового не рекурсивного фильтра, по заданным параметрам a_n– коэффициентам не рекурсивного фильтра, и заданной входной последовательности х(nT_Д).

 --------------------

Уметь: построить выходной сигнал y(nT_Д) цифрового рекурсивного фильтра, по заданным параметрам a_nиb_n коэффициентам рекурсивного фильтра, и заданной входной последовательности х(nT_Д).

 --------------------

Не Рекурсивные ЦФ:

Пример ФНЧ: а0=4, а1=3, а2=2, а3=1

Пример ФВЧ: а0=10, а1=-4, а2=-3, а3=-2, а4=-1

-------------------------

Рекурсивные ЦФ:

Пример ФНЧ: а0=1, b0=0, b1=0,7

Пример ФВЧ: а0=1, a1=-1, b0=0, b1=0,7

----------------------------

(л.7.в.1) Импульсная характеристика фильтра (аналогового, цифрового не рекурсивного фильтра).

--------------------

Импульсная характеристика аналогового фильтра – выходной сигнал фильтра, при подаче на вход фильтра единичного сигнала - d(t) функции.

--------------------

d(t) функция - d(0)=∞ (бесконечность), d(t>0)=0, интеграл от d функции равен 1 (Единичная функция),

--------------------

Для дискретных систем единичная функция записывается в виде:

, по аналогии – сумма от d функции равна 1.

--------------------

Импульсной характеристикой ЦФ (h(nTд)) является выходная последовательность y(nTд), возникающая при входной последовательности в виде единичного импульса .

--------------------

Импульсная характеристика нерекурсивного ЦФ -

При подстановке x(nT_Д)= выходной сигнал y(nT_Д)= h(nTд)= a_n– коэффициенты не рекурсивного фильтра.

--------------------

Уметь: построить импульсную характеристику h(nTд) цифрового не рекурсивного фильтра, по заданным параметрам a_n– коэффициентам не рекурсивного фильтра.

 --------------------

Уметь: построить импульсную характеристику h(nTд) цифрового рекурсивного фильтра, по заданным параметрам a_n, b_n коэффициентам рекурсивного фильтра.

--------------------

(л.7.в.2) Построение не рекурсивного цифрового фильтра (определение коэффициентов фильтра) по импульсной характеристике аналогового фильтра.

--------------------

Импульсная характеристика аналогового RC фильтра нижних частот h(t)=+exp(-t/RC)

--------------------

Импульсная характеристика аналогового RC фильтра высоких частот

h(0)=RC, h(t>0)=- exp(-t/RC)

--------------------

Построение не рекурсивного цифрового фильтра (определение коэффициентов фильтра) по импульсной характеристике аналогового фильтра – если h(nTд) цифрового фильтра приравнять h(t) аналогового фильтра, то амплитудно – частотная характеристика цифрового не рекурсивного фильтра будет совпадать с характеристикой аналогового фильтра.

--------------------

Коэффициенты не рекурсивного фильтра an= h(nTд) – импульсной характеристике аналогового фильтра, при этом частотные характеристики аналогового и цифровых фильтров будут совпадать.

--------------------

Уметь: построить импульсную характеристику аналогового RC фильтра нижних и высоких частот, по заданным параметрам RC.

--------------------

Уметь: вычислить a_n– коэффициенты не рекурсивного фильтра нижних и высоких частот, по заданным параметрам RC аналогового фильтра, и Tд цифрового фильтра.

----------------

(л.8.в.1) Цифровой фильтр на основе преобразования Фурье.

------------------

    Сигнал S(t) называется периодическим, если все его значения повторяются через промежуток времени k*T, где T – наименьший период повторения сигнала, k – целое значение. Такой сигнал можно разложить в гармонический ряд Фурье:

где:  (1) – постоянная составляющая сигнала,  (2) – циклическая частота первой гармоники, обратно пропорциональна периоду сигнала,

 (3)

 (4)

Зависимость an, bn – от частоты – называется спектром сигнала: это набор амплитуд косинусоидальных и синусоидальных сигналов, с частотами через , где Т – период повторения временного поведения сигнала.

Рассмотрим некоторые закономерности, вытекающие из (3, 4):

Симметричные (относительно центра периода Т) сигналы будут иметь только an отличные от нуля, все bn будут равны 0. Соответственно ассиметричные сигналы будут иметь только bn отличные от нуля.

--------------------

БПФ – быстрое Фурье преобразование – алгоритм ускорения расчетов на ЭВМ, входная последовательность кратна степени двойки.

------------------

Структура фильтра– входной сигнал, преобразование Фурье (подсчет an, bn из S(t) ), умножение каждой гармоники (an, bn) на коэффициент фильтра Kn, обратное преобразование Фурье (подсчет S(t) из an, bn).

------------------

1. (л.8.в.2) Линии связи: несущая частота, полоса пропускания, скорости передачи цифровых сигналов для ВЧ связи по ЛЭП, телефонной линии связи, оптоволоконной линии связи.

----------------------

С появлением микропроцессоров (микроконтроллеров) развитие техники идет по пути появления интеллектуальных свойств у отдельных устройств, у целых систем, когда логика работы устройства определяется компьютерной программой.Современные системы связи также становятся цифровыми:

· По линии связи передается цифровая информация.

· Аппаратура систем связи строится на базе цифровых способов формирования сигнала передатчика, обработка сигнала в приемнике ведется цифровым способом.

Исторически в энергетике применялись практически все существующие системы связи:

· Проводная телефонная связь (так называемый dial-upмодем).

· Беспроводная связь с использованием радиостанций (радиомодем).

· Оптоволоконные линии связи, прокладываемые вдоль воздушных линий электропередачи.

· Широкополосные системы связи на гигагерцовых частотах.WiFi - Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводное качество» или «беспроводная точность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access — телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов).

· Сотовые системы связи (GSM, CDMA).

· Спутниковые системы связи (GPS).

Кроме этих систем, изначально энергетики использовали провода воздушных линий электропередачи для передачи высокочастотных (с частотой, значительно выше промышленной частоты 50 Гц) сигналов, так называемая ВЧ-связь по ЛЭП.

Развитием систем ВЧ-связи является PLCсвязь (PowerLineCommunication, передача цифровых данных по силовым линиям электропередачи).

Линии связи – системы связи: точка – точка, сетевые (сотовые),

Несущая частота – опорная частота передатчика, после модуляции которой (изменения ее параметров сигналом) – получаем выходной сигнал передатчика

Полоса пропускания линии связи – ширина полосы пропускания линии связи DF=(Fверхняя частота – Fнижняя частота) полосы пропускания линии связи.

Увеличение абонентской базы – уменьшение линейного размера (площади) сот (площадка, в центре которой расположена антенна, обслуживающая всех пользователей на площади соты), каждая сота обслуживает ограниченное число пользователей (примерно 100), поэтому растет плотность (число пользователей на единицу площади) числа пользователей.

Увеличение скорости передачи – увеличение полосы пропускания линии связи,

Увеличение надежности – создание многоканальных систем передачи, каждый канал независимо от других каналов передает цифровую информацию, при потере связи по одному каналу – остальные каналы продолжают работать.

Развитие систем связи – происходит с внедрением цифровых систем, с увеличением частоты несущей (гигагерцовый диапазон).

----------------------

ВЧ связь по ЛЭП –

· назначение – ВЧ защиты (ДФЗ, ВЧБ), передача команд, телеметрии,

· рабочие частоты – (50-1000)кГц,

· полоса пропускания одного канала передачи данных – порядка 5кГц,

· скорость передачи – порядка 10кБит/сек,

· дальность – порядка 100км.

---------------------

ВЧ обработка ЛЭП – состоит из следующих устройств: ВЧ заградитель (ВЧЗ), конденсатор ВЧ связи (КС), устройство (фильтр) присоединения (ФП), ВЧ кабель, аппаратура ВЧ связи (приемо-передатчик).

---------------------

Устройство присоединения – Разрядник (неоновый), ВЧ трансформатор, ВЧ фильтр,

---------------------

Телефонная линия (медная проводная) –

· Конструкция – скрученная пара медных проводов,

· Рабочие частоты – (0-3)кГц,

· Скорость передачи – 30кБит/сек,

· Дальность – 3км.

-----------------------

Оптоволоконная линия (проводная) –

· Рабочие частоты – световой диапазон, 700 ТГц Синий свет, 480 ТГц Красный свет.

· Конструкция оптоволокна – внешняя оболочка имеет меньший коэффициент преломления (чем у сердцевины), полное внутреннее отражение от границы двух сред (сердцевина и внешняя оболочка).

· Полоса пропускания одного канала – 10ГГц (ограничена возможностями аппаратуры).

· Скорость передачи – 10ГБит/сек

· Дальностьпредельная – порядка 100км (без ретранслятора, усилителя). Экспериментальные линии оптоволоконной связи обеспечивают работу на дальностях тысячи километров без ретранслятора.

-----------------------

1. (л.9.в.1) Виды модуляции несущей частоты сигнала: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ), импульсная.

---------------------

Несущая частота – опорная частота передатчика, после модуляции которой (изменения ее параметров сигналом) – получаем выходной сигнал передатчика

---------------------

Модуляция – изменение параметров сигнала несущей частоты – по закону, заданному информационным сигналом (сигналом, который необходимо передать)

---------------------

Амплитудная модуляция (АМ) – Изменение амплитуды несущей частоты – по закону информационного сигнала (Amplitudemodulation)

---------------------

КоэффициентмодуляцииК=[0,1] Uвых = Uo*(1+K*Uсигн/Uсигн.max)

---------------------

Импульсная модуляция (ИМ) – частный случай АМ, информационный сигнал – цифровой (0 или 1) (Pulsemodulation)

---------------------

Частотная модуляция – модуляция частоты несущей – по закону информационного сигнала (Frequencymodulation)

---------------------

Фазовая модуляция – модуляция фазы несущей – по закону информационного сигнала (Phasemodulation)

Модуляция

Термины.

Информация – описывает свойства, состояние системы. Например: состояние выключателя, 0 – выключен, 1 – включен.

Бит – один разряд двоичного числа. В одной байте 8 бит.

Скорость передачи информации по линии связи – [бит/секунда][бод]

Информационный сигнал (ИС) – который необходимо передать по линии связи с одного конца линии на другой конец линии (например: 1 бит – состояние выключателя).

Несущий сигнал (НС) – который непосредственно передается по линии связи, на частоте в полосе пропускания линии связи.

НС – U=Ua*sin(w*t+j), гдеUa – амплитуда, w - частота, j - фаза.

Частота НС значительно больше частоты ИС: Fнс>>Fис.

Модуляция – изменение параметров НС (параметры П= Ua – амплитуда, w - частота, j - фаза) по закону ИС.

Соответственно АМ, ЧМ, ФМ – амплитудная, частотная, фазовая модуляция.

Закон модуляции:

П=По*(1+Км (Uис/Uис.max)) где Км – коэффициент модуляции.

Модулятор – создает модулированный НС.

Демодулятор (детектор) –извлекает ИС из модулированного НС.

АМ – модулятор:

АМ – детектор:

ЧМ – модулятор:

ЧМ – детектор:

ФМ – модулятор:

ФМ – детектор:

---------------------

2. (л.9.в.2) Формула скорости передачи цифровой информации по линии связи – в зависимости от полосы пропускания, соотношения амплитуды сигнала к амплитуде шумов.

----------------------

Ширина спектра импульсной последовательности – dF≈ 1/τгде τ – длительность импульсов в последовательности

----------------------

Скорость передачи информации – при ИМ W = 1/τ≈dFгде dF – необходимая для передачи ИМ ширина полосы пропускании линии связи

----------------------

Количество возможных амплитуд импульса (различимых при приеме) – K = (S/N+1) где S–максимальная амплитуда сигнала, N–амплитуда шума

----------------------

Информационная емкость одного импульса, с К возможными уровнями напряжения импульса – V = ln₂(K) = ln₂(S/N+1)

----------------------

скорость передачи цифровой информации по линии связи–S = dF * ln₂(S/N+1)

----------------------

Пример расчета для телефонной линии – полоса частот dF=3кГц скорость передачи V=30кБит/сек отношение сигнал/шум S/N=1024

----------------------

Пример расчета для оптоволокна – Скорость передачи V=10ГБит/сек полоса частот dF=10ГГц несущая частота Fдля света с длиной волны λ=1мкм при скорости света С=3*10^8 м/с F=300ТераГц

---------------------

Рассчитать скорость передачи информации при ВЧ-связи по ЛЭП:

· Мощность передатчика 40 Вт.

· Выделенная полоса частот 100-105 кГц.

· Потери в линии 2дБ/км.

· Волновое сопротивление 400 Ом.

· Длина линии 100 км.

· Шумы в линии 0,1 В.

Вопросы для самопроверки

Опишите принцип работы ФНЧ, ФВЧ, Полосового фильтра – зависимость коэффициента передачи фильтра от частоты.

Опишите принцип работы цифровых фильтров: рекурсивный, не рекурсивный фильтры.

Что такое импульсная характеристика фильтра (аналогового, цифрового не рекурсивного фильтра)?

Как осуществляетсяпостроение не рекурсивного цифрового фильтра (определение коэффициентов фильтра) по импульсной характеристике аналогового фильтра?

Опишите принцип работы цифрового фильтра на основе преобразования Фурье.

Опишите основные параметры линии связи: несущая частота, полоса пропускания, скорости передачи цифровых сигналов для ВЧ связи по ЛЭП, телефонной линии связи, оптоволоконной линии связи.

Опишите виды модуляции несущей частоты сигнала: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ), импульсная.

Как подсчитываетсяскорость передачи цифровой информации по линии связи – в зависимости от полосы пропускания, соотношения амплитуды сигнала к амплитуде шумов?

Опишите принцип работы схемы модуляции несущего сигнала: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ), импульсная.

Опишите принцип работы схемы детекторов сигнала при различных модуляциях несущего сигнала: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ), импульсная.

Раздел 4. Интерфейсы микропроцессорных блоков релейной защиты

С появлением микропроцессоров (микроконтроллеров) обработка сигналов, обработка информации идет в цифровом виде. Соответственно современные цифровые терминалы имеют различные цифровые интерфейсы: внешние соединения, к которым можно подсоединять цифровые линии связи, внешние цифровые устройства. Существуют как минимум две задачи, которые решаются с помощью внешних цифровых интерфейсов:

· Настройка, параметрирование, задание уставок и правил работы микропроцессорных терминалов. Терминал можно настроить с помощью собственных кнопок управления и собственного дисплея. Но значительно удобнее настроить при помощи присоединенного внешнего компьютера, и специализированной программы. Подключение внешнего компьютера осуществляется, как правило, с помощью интерфейса RS232. На замену этому старому интерфейсу приходит более современный интерфейс USB.

· Подключение цифрового терминала к цифровой сети предприятия. При этом с терминала передаются измеренные данные, происходит удаленное управление цифровым терминалом. Для подключения к цифровой сети предприятия используется, как правило, интерфейс RS485. Современной заменой данному интерфейсу являются оптические интерфейсы и оптоволоконные линии связи.

Цифровая сеть предприятия строится, как правило, на основе Ethernetсетей. При этом используются либо медные проводные линии связи (четыре пары скрученных проводов), либо оптоволоконные линии связи. Переход с интерфейса RS485 на интерфейс Ethernetсетей осуществляется специальным устройством – шлюзом, которое соединяет две подсети (Ethernetи RS485) вместе, в единую сеть.

-----------------

(л.10.в.1) Интерфейсы микропроцессорных блоков релейной защиты: топология сети – точка – точка, звезда, общая шина, кольцо, тип сигналов – токовая петля, потенциальные.

-----------------------

Точка – точка:

-----------------------

Токовая петля 20 мА

По петле протекает ток 20 мА от источника питания напряжением 12 В или 24 В.

В обычных линиях {20 мА - состояние покоя на линии} 1,5 В теряется на каждой подключенной

станции.

-----------------------

-----------------------

(л.10.в.2) Интерфейсы микропроцессорных блоков релейной защиты – RS232, RS485, Ethernet: топология, линии связи, передача одного бита, адресация устройств, скорость передачи, дальность связи.

-----------------------

-----------------------

Скорость передачи падает с дальностью: от 10Мбит/с на 10м до 60Кбит/с на 1200м

------------------------------

(л.11.в.1) Интерфейсы микропроцессорных блоков релейной защиты – MicroLAN: топология, линии связи, передача одного бита, адресация устройств, скорость передачи, дальность связи.

------------------------

MicroLAN

Однопроводной интерфейс 1-Wire , разработанный в конце 90-х годов фирмой Dallas Semiconductor и его применение для систем автоматизации (технология сетей MicroLAN).

Одновременно с ИНФОРМАЦИЕЙ – передается ПИТАНИЕ для всех устройств СЕТИ

Концепция
Сеть MicroLAN использует архитектуру с одним ведущим шины и многочисленными ведомыми. Однако используя специальные методы исключения конфликтов на шине возможна работа с несколькими ведущими.