6136

Основы логических методов построения устройств противоаварийной автоматики подстанций с электродвигателями

Книга

Энергетика

Учебное пособие предназначено для использования студентами электротехнических специальностей в процессе изучения курса релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем. В нем рассматриваются специальные вопросы выполнения устройств проти...

Русский

2012-12-29

2.21 MB

60 чел.

Учебное пособие предназначено для использования студентами электротехнических специальностей в процессе изучения курса релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем. В нем рассматриваются специальные вопросы выполнения устройств противоаварийной автоматики на подстанциях ответственных потребителей с непрерывным технологическим процессом и двигательной нагрузкой, основы логического анализа и синтеза дискретных средств системной автоматики и применение современной элементной базы, в том числе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).


Введение

Для производств с непрерывным технологическим процессом, имеющихся в различных отраслях хозяйственной деятельности, большое значение имеет надежность электроснабжения, так как перерывы питания подобных объектов ведут к значительному экономическому ущербу. Бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей с двигательной нагрузкой обеспечивается средствами противоаварийной автоматики (ПА) [1-3].

К устройствам автоматики подстанций относятся, в частности, автоматика повторного включения (АПВ) и включения резервного питания при неисправности рабочего источника (АВР). Поскольку выбегающие при потере питания синхронные и мощные асинхронные электродвигатели длительно генерируют на шинах остаточное напряжение, традиционные средства ПА не могут отличить этот режим от нормального и оказываются неэффективными несмотря на то, что их делают чувствительными к параметрам выбега электродвигателей или дополняют другими устройствами, например, защитой от потери питания (ЗПП) [4-6]. Кроме того, затруднена унификация пусковых органов (ПО) автоматики, они имеют сложную измерительную часть, трудоемки в эксплуатации и проектировании, хотя для их совершенствования могли бы быть использованы методы теории релейных устройств [7-8].

Пособие посвящено проблемам, недостаточно раскрытым в существующей учебной литературе по курсу автоматизации электроэнергетических систем и систем электроснабжения промышленных предприятий. В нем с применением теории релейных устройств (ТРУ) и теории распознавания образов последовательно излагаются как теоретические вопросы выбора информационных признаков потери питания электродвигателей и связывающего их алгоритма функционирования, на основе которого создается структура устройства автоматики, так и практические вопросы выбора элементной базы и моделирования поведения разрабатываемых устройств автоматики в различных нестационарных режимах двигательной нагрузки. Изучение этих проблем дает будущим инженерам-электроэнергетикам дополнительные сведения, необходимые в их работе по специальности и способствующие более глубокому усвоению основного материала.


1 Анализ и совершенствование противоаварийной

автоматики подстанций с электродвигателями

1.1 Основные принципы организации противоаварийной

автоматики ответственных потребителей

Развитие экономики сопровождается ростом единичной мощности и суммарного объема синхронных и асинхронных электродвигателей в узлах нагрузки, увеличением количества ответственных потребителей с непрерывной технологией и первой категорией электроснабжения. Электроприемники, предъявляющие повышенные требования к качеству питающего напряжения и его бесперебойности, имеются практически во всех отраслях хозяйственной деятельности. Так, независимо от ведомственной принадлежности, к ответственным потребителям с электродвигателями относятся водонасосные, компрессорные, кислородные станции, пожарные насосы, насосы перекачки станций промышленной канализации, агрегаты компрессорных станций магистральных газо- и нефтепроводов [9].

Проблема ресурсосбережения напрямую связана с ущербом от срыва технологического процесса и недоотпуска электроэнергии, возникающим при авариях в сети электроснабжения ответственных потребителей. Допускаемый такими объектами перерыв электроснабжения не превышает 0,5-1,0 с [10]. Обеспечить надежность их электроснабжения можно только при комплексном решении взаимосвязанных вопросов, начиная от выбора источников питания, схемы электроснабжения, систем релейной защиты и автоматики, и заканчивая выбором аппаратов 0,4 кВ и технологических блокировок [11-12].

К числу первоочередных средств сохранения технологии при перерывах питания относят самозапуск электродвигателей ответственных механизмов. Анализ основных мероприятий по обеспечению самозапуска позволяет разделить их на три группы. Первая группа образована схемными решениями в питающей сети, например, применение двигателей с расщепленными статорными обмотками, объединение секций через реактор и быстродействующий выключатель, реактирование линий, малая загрузка агрегатов (до 0,5 номинальной мощности) в доаварийном режиме [13-16]. Эта группа мероприятий выполняется преимущественно на стадии проектирования, размещения и выбора первичного электрооборудования и технологического режима.

Следующая группа мероприятий реализуется обычно непосредственно по ходу выявления и устранения аварийной ситуации. Сюда входят:

  •  ускоренная ликвидация причин перерыва в электроснабжении (отключение КЗ) автоматическими устройствами релейной защиты (АУРЗ);
  •  максимальное быстродействие органов выявления потери питания и ускоренное отключение основного ввода;
  •  автоматическая быстрая разгрузка самозапускаемого агрегата по технологии, перевод его на пониженную скорость вращения;
  •  отключение на погашенной секции конденсаторных батарей, неответственной нагрузки и агрегатов, не допускающих самозапуск по требованиям технологии или техники безопасности, временное отключение части ответственной двигательной нагрузки с тяжелыми условиями самозапуска;
  •  гашение возбуждения синхронных двигателей (СД) с последующей их ресинхронизацией;
  •  автоматическое замещение питающего источника – АВР;
  •  задержка подачи резервного питания по уровню остаточного напряжения на секции или по времени;
  •  синфазная подача резервного питания на выбегающую возбужденную двигательную нагрузку;
  •  повышение напряжения резервирующей секции перед замещением вводов – подключением конденсаторных батарей или форсировкой возбуждения работающих СД, переключением отпаек обмоток питающего трансформатора;
  •  предварительная или ускоренная автоматическая разгрузка резервирующего трансформатора;
  •  автоматическое повторное подключение потребителей (АПП) к источнику в функции тока, напряжения, времени или по заданной программе [4-6, 16-23].

Наконец, к последней группе отнесем мероприятия по удержанию в работе или восстановлению питания после кратковременного перерыва многочисленных низковольтных потребителей, например, задержку отпадания пускателей, отсекателей, клапанов на трубопроводах, автоматическое повторное включение пускателей электродвигателей (ЭД), реорганизацию технологических блокировок и т. д. [2]. Данные мероприятия осуществляются рассредоточенными средствами вне подстанции, как правило, индивидуально для каждого низковольтного потребителя.

Объем реализуемых мероприятий из приведенного перечня в каждом конкретном случае должен определяться составом нагрузки и характеристиками технологического процесса. Анализ показывает, что мероприятия второй группы, оказывающие значительное влияние на устойчивость производственного процесса в аварийной ситуации, выполняются либо самим органом выявления потери питания, входящим в состав противоаварийной автоматики объекта, либо по его команде. Отсюда очевидна актуальность правильного выбора необходимых средств ПА, логической структуры органа выявления потери питания, используемых им в процессе распознавания аварийного режима информационных параметров, объема выполняемых задач.

Хотя к противоаварийной автоматике относятся и автоматические устройства релейной защиты (РЗ), отключающие электроэнергетические объекты при коротком замыкании (КЗ), в настоящей работе они рассматриваются лишь в той части, в какой они связаны с другими средствами автоматики и зависят от наличия электродвигателей на секции. Устройства РЗ все труднее отделить от других видов ПА, в первую очередь, из-за совместного действия и взаимного влияния [1]. Так, защиту электродвигателей от несинхронного восстановления питающего напряжения (ЗВП), называемую также защитой от потери питания (ЗПП), обычно относят к автоматике, хотя по названию и назначению она скорее принадлежит к классу РЗ. Кроме АУРЗ и ЗВП, из общего состава средств ПА, обеспечивающих непрерывность технологического процесса на объектах с электродвигателями, можно выделить автоматику включения резервного питания и автоматику повторного включения. Все перечисленные виды автоматики взаимосвязаны вследствие того, что принципы их работы опираются на процессы выбега или самозапуска двигателей. Поэтому разработка и исследование преимущественного вида автоматики из перечисленных с присвоением ему функций других устройств в наибольшей степени отвечает задачам унификации и стандартизации оборудования, обеспечивающим ресурсосбережение.

Одновременно следует учитывать необходимость формирования блокирующих воздействий подобной автоматики на другие средства, имеющиеся на подстанциях с электродвигателями, например, автоматику частотной разгрузки (АЧР). АЧР отключает электродвигатели и другие агрегаты при общесистемном снижении частоты (дефиците активной мощности) и не относится к средствам сохранения технологического процесса, однако при перерывах питания она может подействовать ложно вследствие того, что выбегающие двигатели генерируют напряжение со снижающейся частотой [24].

Определим приоритетное средство ПА из вышеуказанных. Электропитание ответственных производств (электроприемников первой категории) должно осуществляться от двух независимых источников питания с допускаемым перерывом электроснабжения только на время автоматического восстановления питания [25]. Рекомендуется иметь два независимых источника питания и для электроприемников второй категории. При этом среднегодовое время простоя одного ввода, т.е. время работы объекта в режиме одностороннего питания, составляет 2·10-3 общей длительности [10] и может не учитываться ввиду кратковременности. На подстанциях, питающих электроприемники первой категории, обязательно предусматривается автоматическое включение резерва, так как только АВР осуществляет контроль резервного питания и может оценить условия включения нагрузки на резервирующий источник, выполнить подавляющую часть мероприятий из рекомендуемого перечня. Восстановление питания обесточившейся секции за счет действия АВР, как правило, предпочтительнее, поскольку при этом сокращается время перерыва питания и исключается зависимость от успеха АПВ питающих линий 110-220 кВ [26].

Восстановление питания нагрузки может осуществляться также органами АПВ, однако с меньшим успехом в силу ряда причин. Так, из-за широкого использования в промышленных системах электроснабжения кабельных линий, КЗ на которых самоустраняется достаточно редко, АПВ здесь оказывается, как правило, неуспешным. Выдержка времени АПВ питающей линии определяется большим числом факторов и является произвольной величиной по отношению к характеристикам двигательной нагрузки конкретной подстанции, тогда как параметры АВР могут быть выбраны с учетом этих характеристик. Возможность неуспешного действия АПВ источников дополнительно повышается при подпитке места КЗ синхронными двигателями подстанций со схемой отделитель-короткозамыкатель на стороне питания [5].

Автоматика повторного включения используется преимущественно на объектах с односторонним питанием, допускающих перерыв электроснабжения длительностью до суток, не требующих обеспеченности самозапуска нагрузки и, в силу этого, не относящихся к ответственным производствам. На вводах распределительных подстанций 6-10 кВ промышленного электроснабжения и собственных нуждах тепловых и атомных электростанций, также относящихся к ответственным потребителям с двигательной нагрузкой, устройства АПВ, как правило, не устанавливаются.

Отсутствие контроля резервного источника в схемах ЗВП ведет к полному погашению подстанции при кратковременной потере питания по обоим вводам, длительному обесточению потребителя и, как следствие, большому народнохозяйственному ущербу. Защита ответственных механизмов от несинхронного восстановления питания может быть реализована всеми перечисленными видами автоматики [5, 10]. Сравнение выходных функций перечисленных устройств говорит о большей функциональной полноте АВР: ЗВП лишь отключает рабочий ввод и СД, не обеспечивая восстановление питания нагрузки, АПВ только включает отключенный по какой-либо причине рабочий ввод, тогда как АВР отключает один ввод и включает другой, проверяя условия подачи напряжения потребителям. Таким образом, преимущественным видом противоаварийной автоматики на подстанциях ответственных потребителей с двигательной нагрузкой можно считать устройства АВР, совмещающие функции других средств противоаварийной автоматики и осуществляющие контроль параметров резервного источника.

Работа АВР не может считаться эффективной, если не обеспечивается самозапуск двигательной нагрузки или параметры обслуживаемого ею технологического процесса выходят за критические значения, что в значительной мере определяется динамической устойчивостью нагрузки [27]. Анализ показывает, что обычный процент успешных действий АВР (94-96%), относящийся к пунктам питания и определенный без учета потребителей, не отражает степень сохранения технологии после перерыва электроснабжения. В частности, на обследованном предприятии химической промышленности кратковременное прекращение электроснабжения в трех случаях из шести привело к нарушению работы производства, несмотря на успешное действие автоматики. В двух случаях, хотя перерыв питания не превышал 0,3 с (собственное время переключения выключателей), подключенные к секции СД насосов вышли из синхронизма и были отключены защитой от асинхронного хода. В третьем случае восстановление напряжения после паузы длительностью 1,8 с вызвало поломку муфты связи электродвигателя с приводимым механизмом.

Используя специальный показатель kэ, равный отношению количества правильных срабатываний с сохранением технологического режима k1 к общему числу k2 правильных срабатываний ПА

%,

находим, что для рассмотренного выше промышленного объекта показатель эффективности равен 50 %. Низкое значение kэ указывает на необходимость выполнения выявительным органом ПА, помимо замещения питающих направлений, также прогноза или оценки поведения нагрузки в аварийной ситуации и условий ее переключения на резервное питание, последовательного осуществления мер по сохранению непрерывности производства.

В связи с этим далее рассматриваются быстродействующие (неселективные) устройства ПА, преимущественная область применения которых – подстанции напряжением 6-10 кВ сетевых или промышленных потребителей, технологические параметры которых изменяются до критического уровня в среднем за 0,5-1,0 с. Время срабатывания автоматики определяется лишь допустимой длительностью перерыва питания производства tТП, быстродействие ПА должно обеспечиваться независимо от степени удаленности объекта от источника питания [18]. Применение неселективных средств ПА представляется целесообразным и на подстанциях с неответственной двигательной нагрузкой, так как за время ускоренного перевода отделившейся от источника питания секции выбегающие двигатели продолжают поддерживать уровень остаточного напряжения, достаточный для удержания в работе пускателей ответственных низковольтных потребителей.

Если предполагается строить централизованное устройство ПА на базе АВР, то необходимо напомнить предъявляемые к схеме АВР в целом требования [1, 28]:

  •  действие при аварийном, ошибочном, самопроизвольном отключении рабочего ввода по любой причине, в том числе и при КЗ на шинах;
  •  контроль отключения рабочего ввода, что предотвращает несинхронное объединение питающих источников и подпитку места КЗ;
  •  включение резервирующего выключателя без задержки после отключения рабочего ввода;
  •  однократность действия при обеспеченности требуемой длительности удержания управляющего воздействия;
  •  автоматический контроль исправности цепи включения выключателя резервного источника;
  •  ускорение действия релейной защиты резервного источника после АВР;
  •  пуск АВР по отсутствию питания, для чего должен предусматриваться специальный выявительный орган. Пусковой орган не устанавливается, если потеря питания основного источника автоматически ведет к исчезновению питания и от резервного источника.

Анализ перечисленных положений показывает, что, за исключением последнего, они выполняются независимо от наличия или отсутствия специального выявительного (пускового) органа и на условия работы потребителя влияния не оказывают. Пятое и шестое требования выполняются, как правило, не устройством автоматики, а другими средствами, например, элементами схемы управления выключателя. Поэтому в дальнейшем схему собственно устройства АВР считаем стандартной и в большинстве случаев не рассматриваем, выполняя лишь анализ и синтез органов выявления потери питания. Хотя следует отметить положения, которые могут учитываться при разработке органов выявления потери питания на современном этапе развития энергосистем.

В частности, предложен и введен в нормы проектирования запрет пуска АВР при замыканиях на землю в любом из питающих источников [16, 29] или работе АЧР [9, 30]. При надежной работе первичного оборудования допускается независимое управление вводным и секционным выключателями, без контроля отключения рабочего ввода, например, с целью ускорения процесса переключения [31]. Наконец, возможен ввод задержки между моментом отключения основного источника и моментом включения резерва – постоянной или перестраиваемой величины [27, 32].

В общем случае наличие автоматического возврата в схеме АВР снижает надежность работы силового оборудования, усложняет организацию вторичных цепей, считается, как правило, излишним [16, 33] и в настоящей работе не учитывается. Однако следует указать, что для потребителей особой категории электроснабжения, снабжаемых от трех независимых источников питания, вопрос возврата со вспомогательного источника питания на основные источники является актуальным. Результаты специального анализа этого вопроса рассмотрены далее, в подразделе 1.4.

1.2 Методы и средства переключения электродвигателей

в процессе замещения питающих источников

Выбор и настройка параметров устройств ПА при наличии на объекте синхронных и асинхронных (АД) двигателей определяется, в первую очередь, процессами их индивидуального или группового выбега [4-6, 34]. С потерей рабочего питания напряжение на шинах с ЭД (особенно синхронными) исчезает не сразу (рисунок 1).

Происходит выбег двигателей с длительным понижением уровня генерируемого напряжения по закону, близкому к экспоненциальному, время его снижения до значения 0,25Uном может составлять десятки секунд. Дополнительному увеличению длительности затухания остаточного напряжения способствуют подключенные к секции конденсаторные батареи, используемые для компенсации реактивной мощности [4]. Кроме того, напряжение погашенной секции может в момент потери питания возрасти до 1,3 номинального значения [35], если перед аварией синхронная нагрузка работала в режиме компенсации реактивной мощности (рисунок 1, кривая 4).

1 – СД 630 кВт аммиачного компрессора; 2 – СД 320 кВт поршневого компрессора и АД 1000 кВт турбокомпрессора; 3 – СД 320 кВт поршневого компрессора и АД 1000 кВт турбокомпрессора с подключенной кабельной сетью; 4 – СД 1000 кВт насоса водоснабжения (через 5 с раскручивается в обратную сторону, спустя 5,2 с отключается защитой минимального напряжения)

Рисунок 1 – Изменение остаточного напряжения ЭД при выбеге

В процессе выбега двигателей между одноименными фазами рабочей и резервной секций появляется непрерывно изменяющаяся разность напряжений – напряжение биений [5], мгновенное значение которого равно

,   (1)

а огибающая (напряжение скольжения) изменяется по закону

, при ,   (2)

где  Ед – электродвижущая сила двигателя,

 Uс – напряжение сети,

0 и – номинальная и фактическая частота вращения ротора,

t – время,

s – угловая частота скольжения.

Торможение СД приводит к снижению скорости его вращения и частоты генерируемого напряжения. Последняя уменьшается тем медленнее, чем больше момент инерции, показатель степени (коэффициент пропорциональности) момента сопротивления приводимого механизма и чем меньше загрузка агрегата. В начальной стадии до величины скольжения s = 0,1-0,2 выбег двигателей с одинаковым коэффициентом загрузки kз и механической постоянной инерции Tj происходит практически одинаково (рисунок 2) по линейной зависимости

.      (3)

1 – момент сопротивления механизма не зависит от скорости, 2 – момент сопротивления механизма пропорционален первой степени скорости, 3 – момент сопротивления механизма пропорционален второй степени скорости

Рисунок 2 – Изменение угловой скорости ЭД при выбеге

Непрерывно изменяется и величина угла сдвига фаз электродвижущей силы выбегающего двигателя относительно синхронного напряжения сети (резервного источника)

,    (4)

где δ0 – номинальный угол нагрузки СД.

Направление реактивной мощности на рабочем вводе подстанции произвольно и не может служить для идентификации нормального или аварийного режима в отличие от активной мощности. В момент отделения от питающего источника без КЗ на линии исчезает ток нагрузки на вводе, прекращается переток активной мощности, происходящий в нормальных условиях всегда от источника к потребителю.

Если аварийная ситуация сопровождается коротким замыканием на питающей линии, электродвигатель переходит в режим генератора активной и реактивной мощности, подпитывая место повреждения, при этом его торможение происходит несколько быстрее. Начальный период такого режима характеризуется высоким значением тока на основном вводе и направлением активной мощности от потребителя в линию. Если источник с повреждением отделяется от секции быстродействующей защитой, например, действием дифференциальной защиты при КЗ в силовом трансформаторе, после отключения источника на двигателях начинает восстанавливаться напряжение и его величина за 0,5 с может возрасти до 0,7Uном.

Допустимое время отключения КЗ в сети по предельному углу δпр

,

восстановление питания при котором еще обеспечивает сохранение устойчивости работы загруженных СД без дополнительных средств ресинхронизации, составляет

,

где δкр – критический угол, в пределе стремится к 180º,

 mс – момент сопротивления ,

 – тормозной момент.

Групповой выбег при потере питания без КЗ характеризуется связью электродвигателей между собой через общие шины питания. В первый момент частота напряжения секции снижается до величины, соответствующей средневзвешенной скорости двигателей, а фазовый сдвиг изменяется до среднего значения угла нагрузки. Затем угол вектора напряжения на шинах отстает от угла вектора напряжения двигателей с большей инерционной постоянной, последние передают электромагнитный момент агрегатам с меньшим запасом кинетической энергии. Нагрузка генераторной группы тормозится сильнее, чем при индивидуальном выбеге, нагрузка двигательной группы тормозится медленнее. До величины напряжения на общих шинах порядка 0,25Uном двигатели, как правило, синхронизируются вследствие действия уравнительных токов [36]. При существенном различии механических характеристик вращающихся машин могут наблюдаться биения амплитуды, частоты и фазы результирующего напряжения секции около средних значений. В случае близкого КЗ все двигатели выбегают в генераторном режиме независимо друг от друга.

Поведение нагрузки при восстановлении питания зависит от длительности перерыва электроснабжения. При сокращении последней скорость вращения двигателей к моменту включения меньше отличается от номинальной, величина остаточного напряжения секции оказывается выше, поэтому процесс самозапуска (разгона и восстановления нормальной работы) электродвигателей существенно облегчается. В то же время при кратковременных перерывах питания возможна подача питающего напряжения в противофазе с остаточным напряжением двигателей, что опасно для самих двигателей и силовых элементов подстанции.

Ток включения, протекающий по статорной обмотке двигателя, определяется величиной и положением вектора его ЭДС относительно вектора напряжения сети в момент восстановления питания

,    (5)

снижается с ростом сопротивления связи xс и сверхпереходного сопротивления двигателя  и максимален при δ = .

Апериодическая составляющая тока статора в момент включения численно равна значению его периодической составляющей и для δ = максимальна

.    (6)

Большие токи включения способствуют повреждению обмоток статора, механическому повреждению вала и других конструктивных элементов двигателя, а также могут вызвать ложное срабатывание защит питающих элементов.

Напряжение на зажимах двигателя в неблагоприятный момент включения (δ = ) составляет

.    (7)

После подачи питания наблюдается кратковременный процесс восстановления частоты вращения двигателей. По сравнению с индивидуальным выбегом общее значение группового тока включения увеличивается, ток включения единичного агрегата уменьшается. При больших ЭДС двигателей, обусловленных форсировкой напряжения, и при больших значениях сопротивления сети xc колебания напряжения на шинах секции могут вызвать ложное срабатывание защиты минимального напряжения (ЗМН), раскачивание нормально работавших СД резервирующей секции и выпадение их из синхронизма после АВР.

Основным критерием для определения граничного времени допустимого перерыва электроснабжения представляется угол δ, так как критическое скольжение успешной ресинхронизации существенно зависит от фазы включения: оно максимально, если δ приближается к нулю, и равно 2Sкр, тогда как при углах включения δ = вероятность успешной ресинхронизации стремится к нулю.

Для восстановления питания двигательной нагрузки в цикле АВР предлагается использовать следующие способы [37].

Сверхбыстрое переключение электродвигателей с минимальным перерывом электроснабжения, близкое к синфазному – при перерывах питания малой длительности СД могут ресинхронизироваться самым простым способом, т.е. вообще без применения средств, способствующих их втягиванию в синхронизм [18].

Широкому использованию метода препятствуют невозможность, в большинстве случаев, мгновенного выявления факта потери питания и большое собственное время включения и отключения выключателей 6-10 кВ. Увеличение числа разнообразных блокировок, повышающих надежность выявления аварии или препятствующих объединению аварийного и исправного источников в момент перевода нагрузки, не способствовали повышению надежности действия автоматики в целом [32]. Как дополнительная мера, для сокращения времени действия автоматики предлагается в момент возникновения аварийной ситуации подавать команду на включение резервирующего выключателя, не ожидая сигнала об отключении рабочего.

Несинхронное переключение возбужденной выбегающей двигательной нагрузки – момент подачи напряжения на ЭД является произвольным, никак не контролируемым.

Метод до сих пор наиболее распространен в силу простоты осуществления. Перед его применением следует проверять расчетом, что вращающий момент, развиваемый двигателем при включении (в сверхпереходном режиме), не вызывает механических повреждений вала и других конструктивных элементов. Предлагается отключать двигатели, для которых не выполняются условия [4, 18]

,

где  Iнс – ток несинхронного включения в статорной обмотке двигателя,

 Iпуск – пусковой ток.

Наиболее опасны по условию момента углы включения 105-135 градусов, по условию величины тока включения и деформации изоляции обмоток – 180 градусов [5, 18, 38]. При наличии апериодической составляющей значение момента несинхронного включения, являющегося препятствием для быстрого включения двигателей в сеть после перерыва питания, будет существенно больше, поскольку момент пропорционален квадрату апериодического тока статора [18, 38]. Бросок тока несинхронного включения может вызвать действие максимальных токовых отсечек, ввиду чего приходится ухудшать их чувствительность и селективность. При больших углах включения токи могут возрастать вдвое за счет апериодической составляющей, а динамическая устойчивость СД нарушается даже при номинальном напряжении. Отмечено, что и для асинхронных двигателей главных циркуляционных насосов (ГЦН) собственных нужд АЭС тяжелым может быть переключение в момент первой противофазы, когда остаточное напряжение составляет 0,94Uном, велико значение апериодической составляющей тока, электромагнитный момент имеет не двигательный, а тормозной характер, вызывая знакопеременные нагрузки на валу [39].

В сетях, отделенных от питающего источника несколькими ступенями трансформации, несинхронное включение СД по условию величин токов и моментов, как правило, допустимо. Для широкого внедрения несинхронного включения намечена разработка электродвигателей, допускающих переключение при полном возбуждении и обеспечивающих самозапуск без разгрузки при пониженном напряжении. Предлагается также оговаривать в ТУ на электродвигатели допустимое число пусков и периодических проверок АВР.

Несинхронное переключение выбегающих ЭД после гашения магнитного поля.

В качестве меры, облегчающей включение ЭД на резервное напряжение, предложено гасить магнитное поле выбегающих электродвигателей и задерживать включение резервирующего ввода на постоянный, задаваемый элементом задержки, или переменный интервал времени, контролируемый по уровню остаточного напряжения секции [5, 32]. Уставка по напряжению выбирается в пределах от 0,25 до 0,5 номинального значения, гашение поля производят по сигналу специального измерительного органа, опережающему или совпадающему по времени с отключением основного ввода.

Ускоренный режим гашения обеспечивается отключением обмотки возбудителя и замыканием ее на разрядное сопротивление, что способствует самозапуску даже загруженных СД путем ресинхронизации, т.е. перевода двигателя в пусковой режим, разворота ротора за счет асинхронного момента до подсинхронной скорости, подачи возбуждения. Ресинхронизация загруженных СД оказывается успешной, если во время такого разворота пусковая асинхронная характеристика, соответствующая уровню восстанавливающегося напряжения на зажимах статора, будет лежать выше характеристики момента сопротивления.

Метод не решает проблему с восстановлением питания асинхронных двигателей, между тем у промышленных потребителей отмечены случаи повреждения мощных АД при быстром их включении на сеть [16, 20]. В процессе эксплуатации собственных нужд АЭС также выявлена возможность повреждения некоторых агрегатов с.н., особенно высокоинерционных ГЦН: при восстановлении напряжения в противофазе на протяжении первых пяти периодов биений токи и электромагнитные моменты представляют большую опасность и могут вызвать повреждение агрегатов [40]. Однако предложенные методы гашения поля АД при АВР путем включения на шины активного сопротивления, электродвигателей горячего резерва или искусственного КЗ [31-32] для потребителей 6-10 кВ оказались слишком сложными, дорогими и не получили достаточного распространения, что ограничивает применение рассматриваемого способа при наличии мощных АД.

К недостаткам способа относится также то, что увеличение паузы в цикле АВР ухудшает условия работы как переключаемой нагрузки, так и потребителей резервирующей секции вследствие значительного торможения двигателей и посадки напряжения из-за протекания повышенных токов самозапуска. В ряде случаев это приводит к качаниям и потере устойчивости СД резерва. Метод не обеспечивает удержание в работе пускателей низковольтных потребителей, которые отпадают заведомо раньше (при 0,6-0,7Uном), чем остаточное напряжение снижается до заданной уставки.

Дискретное фазовое управление динамическими переходами.

Включение с δ = k2π позволяет отказаться от гашения поля, значительно уменьшить ток и время самозапуска, поэтому восстановление питания вблизи ближайшего момента совпадения фаз напряжений считают первоочередной задачей АВР на объектах с комплексной нагрузкой. У мощных ГЦН собственных нужд АЭС ток синфазного включения постепенно приближается к пусковому значению, не превосходя его, электромагнитный момент сразу приобретает двигательный характер, не меняет знака, его колебания незначительны [39]. Более того, хотя при включении с малым углом затем в силу инерционности двигателя угол δ может возрасти до значений 135-180º, однако именно значение угла включения определяет величину апериодической составляющей тока и при малых δвкл она мала [38-39].

Было предложено вводить первоначальный сдвиг фаз первичной сети, чтобы при подаче команды на переключение выключателей в момент возникновения аварийной ситуации включение двигателей на резервный источник происходило с углом, близким к нулю. Отмечалась значительная зависимость получаемого фактически угла сдвига фаз в момент включения от скорости его изменения [32]. В настоящее время этот способ известен как способ дискретного фазового управления динамическими переходами [41]. По способу производится циклическое переключение фаз питающего напряжения на вспомогательных выключателях со сдвигом -120º и -240º, команда на включение вспомогательного выключателя подается в момент возникновения аварии. Предполагается, что за время переключения выключателя вектор остаточного напряжения выбегающих двигателей всегда достигает точно значения 120º (240º), соответствующего заранее опережающему по фазе напряжению резерва.

Недостатком данного решения является увеличение вдвое числа коммутационных аппаратов с циклической перестановкой фаз в прямом и обратном направлении на каждый резервируемый объект. Не решен вопрос возврата без перерыва питания на рабочий источник, поскольку параллельная работа источников через выключатели с переставленными фазами невозможна. Между выключателями должна вводиться блокировка, предотвращающая включение, по крайней мере, одного из них в рабочем режиме, и обоих сразу – в цикле АВР. Величины 120º (240º) не являются однозначно оптимальными в любой момент времени и для любой нагрузки. Наконец, произвольным фактором является время от фактического момента появления аварийной ситуации до момента, когда неисправность зафиксирует пусковой орган.

Реальное время приращения угла δ от начального до некоторого конечного значения зависит от большого количества трудно учитываемых факторов, поэтому попадание в фазу по расчетному времени возможно лишь в том случае, если нагрузки и собственные параметры агрегата всегда одинаковы. На практике же каждый механизм работает с колеблющейся загрузкой, зависящей от разбора продукта, времени года, качества смазки и т.п., изменяется момент трения, возможна ошибка в расчетах при определении момента инерции и времени ускорения, меняется количество включенных агрегатов, состав нагрузки на секции. В результате благоприятное расположение векторов объединяемых напряжений будет достигаться в различные моменты времени и обеспечить малый ток включения при неадаптируемой выдержке времени, присущей способу дискретного фазового управления, не представляется возможным.

Синфазное включение нагрузки на резервное напряжение.

Естественным развитием рассматриваемого способа является попытка обеспечить заданные условия включения нагрузки, контролируя действительные характеристики процесса выбега на секции. Так, в устройстве дискретного фазового управления [42] предложено подавать команду на включение при заданной величине угла сдвига фаз, непосредственно измеренной при развитии аварийной ситуации, а выбор угла включения 120º или 240º осуществлять по величине сброса активной мощности.

Проблема состоит в том, что используемые в энергосистеме способы и средства объединения двух источников переменного напряжения [1] непригодны для электроустановок с двигательной нагрузкой вследствие больших значений первой и второй производных угла по времени. Следует также учитывать, что из-за заметных собственных времен срабатывания выключателей 6-10 кВ требующийся угол опережения для синхронизации двигателей может достигать величины 540º и более, тогда как в стандартных процессах синхронизации электрических машин он находится в пределах 0-180º.

1.3 Совершенствование логической структуры

пусковых органов противоаварийной автоматики

В обзорной части работы целесообразно рассмотреть возможные пути совершенствования устройств ПА, улучшения характеристик имеющихся на подстанциях пусковых органов. Наблюдаются два подхода: первый – произвести изменения в структуре существующих устройств с тем, чтобы заметно улучшить их характеристики, второй – дополнить существующие на подстанции устройства автоматики независимым органом, решающим некоторые специальные задачи и за счет этого повышающим эффективность функционирования системы автоматики подстанции в целом. Третий путь – полная замена существующей системы автоматики новыми устройствами, приемлем для вновь строящихся объектов.

Примером первого подхода является совершенствование [43] стандартного ПО АВР минимального напряжения на реле с отпадающим якорем типа РВ-215…РВ-245. К его недостаткам относятся высокое нерегулируемое напряжение отпадания якоря (не обеспечивает требуемый порог распознавания по напряжению, вследствие чего реле срабатывает при средней величины посадках напряжения в сети или перегорании предохранителя в одной фазе ТН, ложно определяя этот режим как потерю питания), высокое напряжение притягивания якоря (способствует ложной работе реле при самозапуске двигательной нагрузки после быстрого восстановления электроснабжения с остаточным напряжением на секции до 0,75Uном).

Быстродействие подобного устройства ПА ухудшается в режиме выбега двигателей на погашенной секции не только из-за медленного затухания величины остаточной ЭДС, но и вследствие снижения частоты генерируемого напряжения, так как при этом падает величина индуктивного сопротивления и увеличивается удерживающий ток в катушке реле. Кроме того, задержку срабатывания органа приходится искусственно увеличивать для согласования выдержки времени защиты минимального напряжения со временем работы зависимых токовых защит отходящих присоединений, что также обусловлено высоким напряжением отпадания якоря реле.

Путем ввода дополнительной управляющей величины, связанной с выбегом двигателей, а именно, частотной переменной, выполнено усложнение алгоритма функционирования, не требующее серьезного изменения конструкции устройства. Для этого с помощью конденсатора, образующего феррорезонансный контур при замкнутой магнитной системе реле, исходная логическая зависимость устройства преобразуется к виду , где переменная  соответствует снижению до заданного порога амплитуды контролируемого напряжения, а – частоты. С понижением частоты питающей сети происходит рост напряжения отпадания якоря реле, что отличает рассматриваемую схему от типовой. В результате повышается быстродействие органа в режиме выбега потерявшей питание двигательной нагрузки.

На базе рассмотренного решения создана новая защита минимального напряжения [44] взамен традиционно используемой для магнитных пускателей схемы (рисунок 3). Здесь емкость дополнительного конденсатора С совместно с индуктивностью катушки магнитного пускателя КМ образует феррорезонансный контур и обеспечивает повышенную функциональную надежность схемы. Емкость выбирается из условия сохранения напряжения на обмотке магнитного пускателя близким к номинальному значению.

Рисунок 3 – Устройство защиты минимального напряжения

Защита обмотки пускателя от сверхтоков при неплотном прилегании или перекосе магнитной системы, чрезмерном нажатии контактов, увеличенном воздушном зазоре среднего керна сердечника и витковом замыкании обеспечивается тем, что уменьшение индуктивного сопротивления обмотки в перечисленных режимах ведет к резкому ухудшению резонанса и снижению напряжения на катушке. При замыкании более 2-3% витков катушки пускатель отключается. Защита облегчает режим с лавиной частоты в энергосистеме, поскольку снижение частоты до 25-35 Гц вызывает отключение пускателя даже при номинальном напряжении. Она обеспечивает удержание нагрузки во включенном состоянии при близких КЗ, так как напряжение на катушке пускателя изменяется по более пологой характеристике, чем напряжение сети на входе устройства. При большом количестве установленных устройств обеспечивается компенсация реактивной мощности и снижение общего потребления нагрузки.

Рассмотрим в качестве второго примера повышение эффективности выявительных органов с контролем скорости снижения частоты напряжения секции, которые могут использоваться в ЗПП. Эта проблема решалась [45] путем сравнения действительной скорости снижения частоты напряжения выбегающих двигателей с образцовой характеристикой во всем возможном диапазоне изменения частоты, т.е. при бесконечном множестве уставок по частоте.

К выходу блока 1 преобразования частота-напряжение (рисунок 4) подключен непосредственно первый вход схемы 2 сравнения (логический элемент ЗАПРЕТ), выполненной на двухобмоточном реле со встречным включением обмоток. Второй вход схемы 2 через аналоговый элемент 3 задержки на исчезновение сигнала подключен к выходу блока 1. Элемент 3 включает в себя диод 4, обеспечивающий отсутствие задержки при появлении сигнала и задержку при исчезновении сигнала, конденсатор 5 и регулируемое сопротивление 6.

Рисунок 4 – Пусковой орган с контролем скорости снижения частоты

Конденсатор 5 и сопротивление 6 задают эталонную зависимость изменения частоты во времени для всего диапазона изменения частоты (рисунок 5, кривая а). В нормальном режиме и при увеличении частоты напряжения на входах схемы 2 равны, в обмотках реле встречно протекают равные токи, реле не действует.

Рисунок 5 – Сравнение характеристик снижения частоты

В режиме общего снижения частоты энергосистемы кривая изменения частоты (рисунок 5, кривая б) лежит выше эталонной, причем, благодаря действию автоматической частотной разгрузки, все более отличается от эталонной. Заданная характеристика изменения частоты обеспечивает надежную отстройку от системной аварии в течение всего процесса. Частота выбегающих двигателей (рисунок 5, кривая в) вначале затухает по прямолинейному закону, затем скорость снижения частоты увеличивается. Благодаря этому, если даже в начале выбега двигателей скорость изменения частоты меньше эталонной и близка к системной, то в точке А она становится равной эталонной и пусковой орган определяет потерю питания.

Пусковой орган автоматики работает следующим образом.

Напряжение на выходе блока 1 уменьшается со скоростью снижения частоты источника. Если эта скорость меньше заданной скорости разряда конденсатора 5, то напряжения на обоих входах схемы 2 равны, реле не работает. Если скорость снижения напряжения на выходе блока 1 больше скорости разряда конденсатора 5, то напряжение U2 превышает напряжение U1 на величину, достаточную для срабатывания реле схемы 2. В сторону повышения частоты напряжения U1 и U2 растут с одинаковой скоростью, реле схемы 2 не работает. При уменьшении входного напряжения ниже заданной уставки, например, при исчезновении питания секции без электродвигателей, напряжение на выходе блока 1 резко снижается и реле схемы 2 дает сигнал на пуск автоматики.

Аналоговый элемент задержки на исчезновение сигнала может быть выполнен и на иных элементах, обеспечивающих спадание уровня напряжения на выходе в соответствии с необходимой зависимостью. Его назначение – многократно увеличить количество контролируемых уровней частотной переменной, сформировать скользящую уставку.

Предложенный пусковой орган противоаварийной автоматики реагирует на скорость изменения частоты, обеспечивая однократность подачи выходного сигнала. Благодаря заданию эталонной характеристики изменения частоты сразу для всего диапазона возможного изменения пусковой орган надежно определяет потерю питания потребителя с двигательной нагрузкой даже в том случае, если в начале выбега скорость изменения частоты меньше эталонной и меньше скорости изменения частоты при дефиците активной мощности в энергосистеме. Подобное качество отсутствует у других устройств, выявляющих потерю питания по скорости снижения частоты. Кроме того, указанный пусковой орган реагирует также на исчезновение напряжения, т.е. может быть использован и при отсутствии электродвигателей. Его алгоритм функционирования теперь включает дополнительную независимую переменную, осуществляющую контроль уровня напряжения, что обеспечивает универсальность устройства.

Условие срабатывания синтезированного органа в терминах теории релейных устройств (ТРУ) соответствует логической функции ЗАПРЕТ

,

где x2 – наличие рабочего сигнала от блока формирования образцовой характеристики (изменяющийся во времени порог),

– отсутствие блокирующего сигнала (уровень меньше порога) от блока преобразования частота-напряжение 1.

Совмещение характеристик нескольких органов (контроля разности напряжений рабочего и резервного источников, контроля разности фаз этих напряжений) в одном позволяет создать [46] универсальное устройство автоматики, структура которого унифицирована и не изменяется в зависимости от состава нагрузки потребителя (рисунок 6). В данном случае принцип совершенствования устройства заключен не во вводе дополнительной переменной, а в использовании более эффективного алгоритма и реализующего его элемента

. (8)

Здесь Qi (i = 1, 2) – сигнал на отключение первой или второй секции, xjиндивидуальный признак указания погашенной секции (j = 1, 2, …, N),  и  – сигналы наличия и отсутствия напряжения первого (второго) источника питания,  – симметричная логическая функция НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, устанавливающая необходимость действия АВР и общее наличие аварийной ситуации,  – оператор задержки действия АВР на время распознавания t1.

Рисунок 6 – Схема пускового органа АВР

на реле контроля синхронизма

В качестве элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ используется реле контроля синхронизма KSS типа РН-55/200. Реле тока КА1 и КА2 типа РТ-40 формируют признак xj. Задержка t4 реализуется реле KL с замедлением на возврат типа РП-252 и выбирается из условия удержания непрерывного сигнала на входе реле времени KT в интервалы времени, когда сравниваемые напряжения периодически совпадают по фазе и якорь реле контроля синхронизма KSS отпадает. Контроль тока на питающем вводе позволяет указать обесточенную секцию при любом составе нагрузки, повышает надежность функционирования устройства в режимах сквозных КЗ и неисправности ТН [47]. Уставка по току ввода реле КА1, КА2 выбирается меньше минимального тока нагрузки секции.

Переход от релейно-контактной базы (электромеханических реле) на микроинтегральную обуславливает и переход к контролю логических переменных, формируемых некоторым образом из информационных параметров напряжений или токов разных присоединений подстанции – преимущественно напряжений секций и токов питающих вводов. Безинерционная природа интегральных микросхем (ИМС) заставляет во многих случаях вводить специальные задержки, в которых не было необходимости при работе с электромеханическими реле, например, для превращения импульсных сигналов в непрерывные или отстройки от импульсных помех. Кроме того, становится существенно необходимым специальный математический аппарат для формального описания структуры и алгоритмов функционирования устройств автоматики.

Так, для построения унифицированного ПО АВР с контролем изменения амплитудных и фазовых характеристик напряжения рабочего источника [48] требуется уже провести анализ соотношений однополярных полуволн напряжений первой U1 и второй U2 секций в нормальном режиме (рисунок 7, а), при отсутствии напряжения U2 (рисунок 7, б) и в начале выбега двигателей на первой секции (рисунок 7, в).

а) б) в)

Рисунок 7 – Амплитудно-фазные характеристики

резервируемых напряжений

Поскольку при выбеге двигателей в течение периода промышленной частоты появляется комбинация сигналов, описываемая функцией НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ , алгоритм действия фазочувствительного ПО АВР на бесконтактных элементах записывается подобно (8)

  (9)

Здесь  – оператор задержки появления сигнала, учитывает рассогласование параметров U1, U2 в промежутке времени t3 из-за допустимого неравенства амплитуд или фаз напряжений (рисунок 7, а),  – оператор задержки исчезновения сигнала на время t4, учитывает импульсный характер сигнала, прочие обозначения соответствуют (8). Заметим, что часть логического выражения НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ в виде функции ЗАПРЕТ  формируется и при обычном исчезновении напряжения на секции (рисунок 7, б), когда двигатели отсутствуют, что позволяет выполнить пусковой орган универсальным.

Достоинства указанного устройства на интегральных элементах – простая измерительная часть, адаптируемая выдержка времени. Однако в качестве переменной xj, по значению которой определяется дефектный источник, используется величина тока на вводе, из-за чего устройство допускает каскадность действия при подпитке обслуживаемого объекта двигателями связанных подстанций. Отсюда очевидна актуальность задачи отыскания более информативных индивидуальных и групповых признаков индикации погашенной секции для построения выявительных органов ПА и методов оценки эффективности работы автоматики.

1.4 Совершенствование системы электроснабжения потребителей особой категории

Подстанции особо ответственных потребителей, не допускающих кратковременного перерыва электроснабжения (доменные насосные и т. п.), питаются тремя вводами, при этом всегда, в том числе и в ремонтных режимах, в работе находится не менее двух вводов [5]. Зачастую в особую группу выделяют нагрузку, позволяющую некоторое время удержать в работе остальные электроприемники, либо обеспечить их останов по регламенту. В частности, на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов помимо двух обычных источников питания (вводов от энергосистемы) для питания особой группы потребителей 0,4 кВ имеется еще и специальный аварийный, в виде дизель-генератора.

Системы электроснабжения потребителей особой группы характеризуются при перерывах электроснабжения как проблемами специфического рода, присущими только этим системам, так и общими проблемами. Очевидно, что последние могут быть исследованы при анализе работы потребителей первой категории, поэтому мы рассмотрим их далее в общем порядке. К специфическим же проблемам можно отнести вопросы обратного перехода потребителей с питания от автономных электростанций (АС), работающих несинхронно по отношению к основным источникам питания, на питание от энергосистемы, не имеющие типового решения.

Система электроснабжения КС состоит не менее чем из двух подсистем с двумя вводами от энергосистемы, переключаемыми автоматикой АВР на стороне высокого и низкого напряжения. На случай полного прекращения электроснабжения от энергосистемы имеется аварийная станция (дизель-генератор) типа АС 804, АС 814 и т. п., которая автоматически запускается через время не более 30 с и обеспечивает питание ответственных потребителей 0,4 кВ (цепи КИП и А, маслонасосы уплотнений, циркуляционные насосы). По проекту обратный перевод нагрузки 0,4 кВ с дизель-генератора на энергосистему предполагается производить с помощью блока точной синхронизации (БТС), поставляемого комплектно с системой управления аварийной станцией СУАС. Практика эксплуатации [49] и проведенные нами исследования [50] показали непригодность используемого БТС для этих целей, прежде всего из-за плохих временных характеристик вводных автоматов типа АВМ.

Для автоматов типа АВМ с электродвигательным приводом требуется длительность импульса на включение не более 30 с и не менее 1 с, в противном случае надежное включение не гарантируется. Время включения автомата с электромеханическим приводом от момента подачи питания на привод до полного включения составляет на постоянном токе 0,55 с, на переменном токе 0,35 с. Таким образом, даже без учета разброса временных характеристик автоматов серии АВМ время включения аппарата не менее 0,35 с. Между тем, схема управления БТС предусматривает автоматическое отключение синхронизатора (блокировку действия) при задержке генераторного автомата на включение более 0,2 с. Отсюда видно, что проектным решением не предусмотрено согласование БТС по уставкам с характеристиками вводных и генераторных автоматов серии АВМ, что приводит к неработоспособности схемы.

Кроме того, следует указать на сравнительно низкие возможности и качественные параметры установленного на СУАС блока точной синхронизации. Устройство БТС относится к классу синхронизаторов с постоянным углом опережения (СПУО), имеющих динамическую ошибку по углу включения, поскольку в нем не учитывается величина скольжения и ускорение генератора при синхронизации. Более того, устройство имеет всего две рабочие уставки – в этом синхронизаторе запрещается действие, если частота скольжения превышает 2,8 Гц, выбирается первая уставка по углу опережения в диапазоне скольжения 1,3-2,8 Гц или вторая уставка по углу опережения в диапазоне скольжения 0-1,3 Гц. Срабатывание синхронизатора должно происходить на спадающей части огибающей напряжения биений при уставках 75 В или 45 В, т. е. значительно менее угла опережения 180 в диапазоне скольжения 1,3-2,8 Гц и менее 60 в диапазоне 0-1,3 Гц. Учитывая, что синхронизация разрешается для времени срабатывания автомата не более 0,2 с, отметим, что даже предварительный расчет показывает невыполнимость этих условий для существующей конструкции синхронизатора БТС.

Наложение недостатков блока синхронизации и коммутационных аппаратов приводит к тому, что в эксплуатации обратный переход от аварийного электроснабжения на напряжение энергосистемы производится, как правило, с перерывом питания потребителей, синхронизатор выводится из работы.

Поэтому для КС в качестве основного решения выбрана возможность автоматического восстановления нормальной схемы электроснабжения с перерывом питания. Разработан специальный блок обратного перехода типа БУС-001, предназначенный для перевода с перерывом питания 0,3…0,5 с ответственных потребителей 0,4 кВ с дизель-генератора на энергосистему при восстановлении напряжения последней [51]. Предусмотрены два режима работы блока – ждущий и автоматический. В ждущем режиме условием срабатывания блока управления является появление сигнала о неисправности дизель-генератора при наличии напряжения энергосистемы хотя бы на одном вводе. Если же разрешен автоматический режим, блок срабатывает с задержкой 1 мин с момента появления напряжения энергосистемы обязательно на двух вводах 0,4 кВ. В обоих случаях контролируется включенное состояние генераторного автомата.

В процессе синтеза блока обратного перехода выделяем независимые переменные, образующие входной алфавит:

x1 – сигнал о наличии напряжения энергосистемы на первом питающем направлении (напряжение 0,4 кВ);

x2 – сигнал о наличии напряжения энергосистемы на втором питающем направлении (напряжение 0,4 кВ);

x3 – сигнал неисправности автономной станции, т.е. дизель-генераторной установки;

x4 – сигнал о включенном положении генераторного автомата (о работе АС), автоматически включает в себя сведения об отключенном состоянии вводов 0,4 кВ энергосистемы, т. к. иначе бы АС не была включена в работу;

x5 – сигнал о разрешении автоматического режима перехода с АС на энергосистему.

Формулируются условия действия блока на отключение генераторного автомата QF в ждущем режиме. Указанное действие должно происходить без дополнительной задержки, если появился сигнал неисправности АС x3, есть хотя бы одно напряжение питания от энергосистемы U1 или U2 (переменные x1 и x2), а АС находилась в рабочем состоянии, т.е. автомат QF включен (переменная x4). Алгоритм функционирования автоматики для подобного случая записывается в терминах ТРУ как

,

где  – команда на отключение автомата QF.

В автоматическом режиме условие срабатывания блока на отключение автомата QF может быть сформулировано в виде конъюнкции (И)

,

где  – оператор задержки срабатывания автоматики на время t1  1 мин. Иными словами, автоматика производит обратный переход в том случае, если в течение времени t1 сохраняется нормальный уровень напряжения энергосистемы по обоим питающим направлениям, разрешен автоматический режим и автономная электростанция находится в работе.

Общее условие действия автоматики на отключение генераторного автомата QF записывается в виде дизъюнкции (ИЛИ) указанных условий

Условие действия автоматики yКТП на включение вводных автоматов 0,4 кВ КТП 1, 2 практически не отличается от записанного. Разница состоит в том, что для команды yQF не требуется специальное удержание команды в течение определенного времени – в самой формуле содержится переменная x4, которая контролирует состояние генераторного автомата QF и автоматически снимает выходной сигнал после его отключения. Наоборот, для команды yКТП специальная задержка на исчезновение необходима, чтобы обеспечить надежное включение инерционного коммутирующего аппарата, поэтому алгоритм срабатывания имеет вид

,

где  – оператор задержки сигнала на исчезновение в течение времени t2.

Окончательная форма алгоритма функционирования блока БУС-001 определяется выбранной элементной базой. Предусматривается реализация блока с помощью высокопороговой интегральной серии ДТЛ-микросхем К511, характеризующаяся тем, что базовым элементом серии является логический элемент И-НЕ (штрих Шеффера). Для преобразования исходной зависимости воспользуемся законом инверсии (де Моргана)

после чего, учитывая, что наибольшее число входов в базовом элементе серии К511 равно трем, запишем окончательно

Предлагаемый алгоритм легко осуществляется на современной цифровой элементной базе (рисунок 8). Устройство функционирует следующим образом.

Ждущий режим. Исходным является состояние, когда компрессорная станция перешла на питание от АС, генераторный автомат QF включен (x4 = 1), аварийная электростанция работает нормально (x1 = 0), восстановилось питание по крайней мере по одному вводу от энергосистемы (x2 = 1 или x3 = 1). Поскольку x1 = 0, на выходе элементов DD2.1 и DD2.3 присутствует сигнал уровня логической единицы, то же наблюдается на выходе элемента DD2.2, соответственно сигнал на выходе элемента DD1.4 равен 1, обмотка реле KL обесточена.

Рисунок 8 – Логическая часть блока БУС-001

При появлении неисправности АС изменяется состояние переменной x1, т. е. образуется x1 = 1. В зависимости от того, на каком вводе энергосистемы имеется напряжение, изменяется выходной сигнал элемента DD2.1 или DD2.3, в результате формируется уровень логического нуля на выходе элемента DD1.4 и устройство срабатывает: реле KL замыкает свой контакт.

Автоматический режим. Исходным является состояние, когда компрессорная станция перешла на электроснабжение от АС, генераторный автомат QF включен (x4 = 1), разрешена работа блока управления в автоматическом режиме (x5 = 1), однако хотя бы одно напряжение питания от энергосистемы U1 или U2 отсутствует, т. е. либо x2 = 0, либо x3 = 0, либо x2 = x3 = 0. Рассмотрим состояние времязадающего узла. Конденсатор С1 зарядился до выходного напряжения 12-13 В элемента DD2.2 через диод VD1, положительным напряжением на конденсаторе, подаваемым на затвор транзистора VT1, последний запирается, поэтому на всех входах и выходе элемента DD1.4 сохраняется сигнал уровня логической единицы.

При восстановлении питания от энергосистемы по обоим вводам КТП переменные x2 = 1 и x3 = 1. В результате сигнал на выходе элемента DD1.1 становится равным 1, тогда как на выходе DD2.2 изменяется на 0. Конденсатор С1 начинает разряжаться на открытый транзистор выхода микросхемы DD2.2 через резистор R1, длительностью разряда и определяется значение задержки t1. Со снижением напряжения на конденсаторе до заданного уровня транзистор VT1 открывается и переводит элемент DD1.4 в состояние выхода 0. Реле KL замыкает свой контакт, устройство срабатывает.

Покажем особенности формирования логических переменных в схеме сопряжения УСО блока управления с объектом (рисунок 9).

Рисунок 9 – Устройство сопряжения блока управления

с объектом

Напряжение питания блока управления 15 В формируется из напряжения питания 24 В СУАС посредством стабилизированного источника питания, при выводе из работы СУАС снимается и питание блока. Переменная x1 «Неисправность АС» формируется подачей напряжения =24 В питания цепей управления СУАС на реле К1 блока через размыкающий контакт реле неисправности РСН. Благодаря этому контролируется как неисправность собственно элементов АС (системы смазки, воздушной системы, насоса перекачки топлива и т. п.), так и потеря оперативного питания в схеме управления АС.

Сигналы x2 и x3 должны соответствовать напряжениям энергосистемы U1 и U2, для чего контролируются однофазные напряжения переменного тока 220 В до автоматов вводов КТП. Значение переменной x4 определяется состоянием размыкающего блок-контакта генераторного автомата QF, а переменной x5 – состоянием переключателя выбора режима SAS.

Выбранная для реализации высокопороговая серия интегральных микросхем К511 специально предназначена для работы в условиях повышенных электромагнитных помех, характерных для действующих электроустановок. Для элементов серии К511 пороговое (максимальное) значение входного напряжения нулевого уровня равно 6 В, а пороговое (минимальное) значение единичного напряжения равно 8 В. Для формирования переменной x2 (x3) однофазное переменное напряжение поступает на входной трансформатор TV1 (TV2), далее выпрямляется диодным мостом VS1 и фильтруется конденсатором С4. Полученный сигнал контролируется цифровым компаратором в виде триггера Шмидта на элементах DD3.1-DD3.2. Через регулируемый резистор R4 осуществляется положительная обратная связь с выхода элемента DD3.2 на вход элемента DD3.1, глубиной обратной связи определяется порог срабатывания компаратора. Дополнительное влияние на значение порога срабатывания оказывает входное сопротивление R3.

При отсутствии напряжения 220 В уровень сигнала на входе элемента DD3.1 и выходе DD3.2 равен логическому нулю (0,4-1 В), на выходе DD3.1 – логической единице (13,5-14 В). С увеличением напряжения на конденсаторе С4 наступает момент, когда уровень напряжения на выходе DD3.2 начинает увеличиваться и часть этого напряжения поступает на вход DD3.1. Это в свою очередь дополнительно увеличивает уровень напряжения на входе DD3.1, и, как следствие, на выходе DD3.2. Процесс развивается лавинообразно, напряжение на выходе элемента DD3.2 скачкообразно возрастает до уровня 1, на выходе DD3.1 аналогичным образом снижается до 0. Инвертор DD3.3 выполняет двоякую функцию: во-первых, изменяет значение сигнала, подаваемого на шинку x2, с 0 на 1, а, во-вторых, дополнительно увеличивает релейность статической характеристики компаратора.

Аналогично строится канал формирования переменной x3 из однофазного напряжения 220 В второго ввода энергосистемы (трансформатор TV2, мост VS2, конденсатор С5, компаратор на элементах DD4.1-DD4.3 с резисторами R5 и R6 во входных и выходных цепях).

Для формирования переменных x4, x5 используются диодно-резисторные цепи VD6-R7 (VD7-R8). При замыкании внешним контактом соответствующего входа на нулевую шину потенциал шинки x4 (x5) принимает значение 0, в остальное время через резистор R7 (R8) на шинку x4 (x5) поступает напряжение +15 В, соответствующее логическому уровню 1. Диод VD6 (VD7) предотвращает влияние перенапряжений в оперативных цепях 24 В СУАС на работу логической схемы блока управления. Источники сигналов x1, x4 и x5 гальванически развязаны.

С учетом необходимости установки блока обратного перехода БУС-001 предложена новая структура системы электропитания с резервированием (рисунок 10) потребителей особой группы КС [52].

Рисунок 10 – Система электропитания с резервированием

Система содержит первый 1 и второй 2 основные источники (вводы энергосистемы), подключенные через основные коммутаторы 3, 4 к первой 5 и второй 6 секциям шин нагрузки, соединенным через секционный коммутатор 7 между собой, а через вспомогательные коммутаторы 8, 9 – с шинами генератора 10, к которым через аварийный коммутатор 11 подключен аварийный источник 12 (дизель-генератор).

Управление коммутаторами осуществляется первым 13, вторым 14 блоками АВР и блоком обратного перехода 15. Первый блок АВР 13 одним выходом связан с катушками отключения 16, 17 основных коммутаторов, другим выходом – с катушкой включения 18 секционного коммутатора. Второй блок АВР 14 одним выходом связан с катушками отключения секционного 19 и основных коммутаторов, а другим – с катушками включения вспомогательных 20, 21 и аварийного 22 коммутаторов. Наконец, блок 15 одним выходом связан с катушками отключения вспомогательных 23, 24 и аварийного 25 коммутаторов, а другим – с катушками включения 26, 27 основных коммутаторов.

Блок обратного перехода 15 (рисунок 11), реализующий сформулированные логические зависимости, содержит входы для контроля напряжения U1 и U2 первого 28 и второго 30 основных источников, сигнала x3 неисправности аварийного источника 29 и сигнала x4 состояния аварийного коммутатора 31.

Рисунок 11 – Структура блока обратного перехода

В состав блока входят элемент ИЛИ 32, первый 33 и второй 34 элементы И, элемент 35 задержки на срабатывание, элемент 36 задержки сигнала на исчезновение и исполнительный орган 37, блокирующий вход которого подключен к выходу элемента 36. Выход 38 исполнительного органа предназначен для отключения вспомогательных и аварийного коммутаторов, выход 39 – для включения основных коммутаторов.

При исчезновении питания от любого из основных источников 1 (2) действием блока 13 отключается коммутатор 3 (4) и включается коммутатор 7, секция запитывается от исправного основного источника. В случае потери обоих основных источников 1, 2 действием блока 14 запускается дизель-генератор 12, отключаются коммутаторы 3, 4, 7, включаются коммутаторы 8, 9, 11, нагрузка переходит на питание от аварийного источника.При восстановлении напряжения только на одном основном источнике 1 (2) состояние системы не изменяется, хотя на выходе элемента ИЛИ 32 появляется разрешающий сигнал. Если в этот период возникает неисправность аварийного источника, которая может привести к его выходу из строя, на входах элемента И 34 совпадают сигналы от элемента ИЛИ 32 и сигнал x3 с входа 29, элемент И 34 срабатывает, исполнительный орган 37 формирует команду на отключение коммутаторов 8, 9, 11 и включение коммутатора 3 (4). При этом секция 6 (5) получает питание после включения секционного коммутатора 7 обычным действием блока АВР 14.

Если на обоих вводах энергосистемы появляется и в течение заданного времени сохраняется нормальное напряжение, блок 15 восстанавливает нормальную схему электропитания независимо от состояния аварийного источника (дизель-генератора). По совпадению сигналов на входах 28, 30 срабатывает элемент И 33, элемент задержки 35 отсчитывает время, предусмотренное для отстройки от длительности возможных переходных процессов в энергосистеме, срабатывает исполнительный орган 37. Блок 15 действует на отключение коммутаторов 8, 9, 11 и включение коммутаторов 3, 4. Благодаря подаче сигнала x4 о состоянии (блок-контакта) коммутатора 11 на блокирующий вход исполнительного органа 37 предотвращается излишнее действие блока 15 при неработающем источнике 12. Для надежного действия этот сигнал удерживается заданное время и после отключения аварийного коммутатора 11.

Предлагаемая система [53], сохраняя электропитание нагрузки при неисправности как одного, так и обоих основных источников, позволяет без применения ручных операций автоматически выполнять обратный переход с аварийного источника (дизель-генератора) на энергосистему. Она во всех случаях выбирает наиболее надежный режим: если восстанавливается только один основной источник, то сохраняется электроснабжение нагрузки от аварийного источника, если при этом возникает неисправность аварийного источника – переходит на питание от энергосистемы; если восстанавливаются оба основных источника – переходит к нормальной схеме без дополнительных условий. Исключается излишняя работа дизель-генератора, что позволяет сократить дополнительный расход горючесмазочных материалов и потери электроэнергии на холостой ход трансформаторов основного питания.

1.5 Использование динамической модели для

исследования поведения средств автоматики

Очевидно, что в процессе исследования и разработки выявительных органов быстродействующего АВР, ЗВП или АПВ приходится неоднократно моделировать различные режимы работы электродвигателей. От степени соответствия модели оригиналу зависит эффективность синтеза устройства автоматики. Максимальной степени близости к оригиналу позволяет добиться физическое имитационное моделирование, по большинству параметров соответствующее натурному эксперименту.

Заметим, что моделирование является обязательным атрибутом процесса создания устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) энергосистем. На каждом этапе оно преследует различные цели и осуществляется разными средствами.

В процедуре синтеза устройства РЗА можно выделить, по крайней мере, четыре стадии, требующих моделирования поведения устройства или отдельных его элементов. На этапе формирования общего представления о назначении устройства и особенностях его поведения в определенных режимах моделирование ставит целью сформулировать алгоритм функционирования устройства и проверить его истинность. Здесь предпочтительнее использование средств общего назначения, не требующих знания каких-либо языков программирования или умения работать со специальным оборудованием, и поведенческое описание объекта. В то же время, очевидно, необходимо хорошее представление о процессах, происходящих в объекте электроснабжения при моделируемых условиях. Пример подобного моделирования представлен в подразделе 3.2.

Далее на первый план выходит элементная база, в которой предполагается реализовать средства РЗА. Как правило, моделирование поведения производится в машинном (модельном) времени штатными средствами системы автоматизированного проектирования, в которой выполняется синтез дискретного устройства. Третий этап подразумевает изготовление опытных образцов (малой серии) устройства и моделирование в темпе реального времени – лабораторный или натурный эксперимент. К числу решаемых здесь проблем относится выбор источника испытательных воздействий, подбор регистрирующей и измерительной аппаратуры.

Окончательным критерием правильности высказанных и реализованных положений являются результаты производственного эксперимента (четвертый этап) – моделирование поведения устройства непосредственно в действующей электроустановке, в режимах, соответствующих тем, для которых оно предназначалось. Поскольку длительность эксперимента и число опытов, как правило, ограничены рамками производства, целесообразно совмещение нескольких видов испытаний, либо соединение их в такой временной последовательности, чтобы они естественно переходили друг в друга. Проблему выбора регистрирующей аппаратуры можно полагать решенной на предшествующем шаге, а поиск источника тестовых воздействий не требуется вообще, поскольку необходимые воздействия формируются процессами в первичном оборудовании. На данном этапе становится важным тщательное составление и согласование с оперативным персоналом программы испытаний, по возможности, не нарушающей устойчивость работы потребителей, электрически связанных с испытуемым объектом, и непрерывность технологических процессов, исключающей возможность повреждения первичного оборудования, удовлетворяющей требованиям правил техники безопасности и технической эксплуатации. Отметим наблюдающееся зачастую отсутствие у эксплуатационного персонала исполнительных схем вторичной коммутации, затрудняющее не только привязку устройств к существующим цепям РЗ и ПА, но и проведение эксперимента в целом.

Для натурного моделирования были отобраны типичные возмущения по питанию динамической группы: потеря питающего источника со свободным выбегом электродвигателя, внезапное короткое замыкание вблизи электродвигателя (трехфазное и двухфазное), восстановление собственной ЭДС на выводах выбегающей машины после отключения КЗ, восстановление питающего напряжения на выводах машины после кратковременного перерыва электроснабжения. Предварительный анализ показал, что действующие стандарты не содержат рекомендаций по устройствам или методам проведения подобных испытаний. В связи с этим была разработана схема установки для моделирования нестационарных режимов электродвигателей переменного тока (рисунок 12), характеризующаяся повышенными функциональными возможностями.

Объектом моделирования является электродвигатель M, подключаемый к трехфазной сети переменного тока через выключатель Q с собственным блоком управления ACQ [54]. Силовая часть установки содержит коммутатор режимов QSA и тиристорный коммутатор QB со своим блоком управления ABQ. Измерительно-логическая часть устройства включает EA – измерительный преобразователь на основе элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ или ПЛФ, и блок временных интервалов DT. Сюда объединены: элементы задержки t1, t3 сигнала на исчезновение DT1 и DT3, элемент задержки t2 сигнала на появление DT2, логический элемент ЗАПРЕТ DX.

Рисунок 12 – Схема моделирующей установки

Алгоритм управления режимами установки описывается логическим выражением

,

при , где, в свою очередь, x1 отображает наличие полуволны напряжения фазы А, а x2 – наличие полуволны напряжения фазы С.

Состояние переменной QSA определяется реализуемым режимом: при моделировании трехфазного КЗ все три коммутатора блока QSAазовем их в соответствии с обслуживаемыми фазами SA, SB и SC) замкнуты на перемычку, т. е.

,

при осуществлении двухфазного КЗ на перемычку замкнуты два выбранных коммутатора

.

В нормальном режиме все фазы коммутатора QSA соединены с соответственными фазами питающей сети и реализуемая зависимость равна

.

Наконец, моделированию неполнофазного режима работы электродвигателя соответствует зависимость

.

К началу эксперимента агрегат, приводимый двигателем, выводится на заданную технологическую нагрузку. Собственно моделирующее устройство должно быть подключено к трехфазной системе шин сети и электродвигателя по обеим сторонам выключателя Q. Поскольку при включенном выключателе Q параметры напряжений по его сторонам адекватны, датчик ЕА не работает и тиристоры коммутатора QB заперты. Рассмотрим состояния элементов схемы для каждой из моделируемых ситуаций [55].

Потеря питающего источника со свободным выбегом электродвигателя.

В блоке DT устанавливаются следующие значения временных задержек: t1 – равна интервалу времени, необходимому для перекрытия возможных пауз в выходном сигнале датчика ЕА, которые зависят от значения механической постоянной электродвигателя и конструкции датчика; t2 – превышает длительность выбега двигателя; t3 – произвольной величины. Безразлично и положение контактов SA, SB, SC коммутатора режимов QSA.

Пуск испытательной схемы осуществляется отключением выключателя сети с помощью блока управления ACQ. Датчик ЕА возбуждается по заданной степени рассогласования мгновенных значений напряжений по сторонам выключателя Q, а его сигнал удерживается элементом DT1. Однако, благодаря большой задержке, элемент DT2 не срабатывает и коммутатор QB не включается, двигатель М выбегает до полного останова.

Рассматриваемый режим используется, в частности, для определения механической постоянной инерции и характера затухания остаточного напряжения, характера изменения частоты вращения электродвигателя.

Внезапное трехфазное КЗ вблизи электродвигателя.

Задержка t1 блока DT остается неизменной, t2 – уменьшается до нуля, t3 – устанавливается равной заданной длительности режима. Контакты SA, SB и SC коммутатора QSA замыкаются на перемычку.

Отключают выключатель сети Q. Сразу же по срабатывании датчика ЕА включаются элементы задержки DT1 и DT2, разрешая действие схемы ЗАПРЕТ DX. Сигналом последней возбуждается блок управления ABQ, переводящий коммутатор QB в открытое состояние. Происходит выбег двигателя с подпиткой места короткого замыкания до тех пор, пока не истечет заданная задержка t3 элемента DT3. Сигнал от элемента DT3, поступая на запрещающий вход элемента ЗАПРЕТ, выключает его и тем самым прекращает режим.

В описываемом режиме исследуются, в частности, величины токов подпитки КЗ и характер их затухания, электродинамические усилия в обмотках и механические усилия на валу, изменение частоты вращения электродвигателя.

Внезапное двухфазное КЗ вблизи электродвигателя.

Задержка t1 блока DT1 сохраняется прежней, t2 – уменьшается до нуля, t3 – устанавливается равной заданной длительности режима. В коммутаторе QSA контакты, соответствующие поврежденным фазам, например, SA и SB, замыкаются на перемычку, контакт SC остается соединенным с одноименной фазой питающей сети.

С пуском схемы (отключением выключателя Q), тиристорный коммутатор QB открывается, имитируется внезапное двухфазное металлическое КЗ А-В с сохранением питания по фазе С. Аналогичным образом моделируется замыкание фаз В-С и С-А с сохранением питания по А и В соответственно.

Эксперимент позволяет оценить, в частности, допустимое время срабатывания защиты от неполнофазных КЗ по условиям устойчивости электропривода, величины токов и направления мощности обмена электродвигателя с сетью.

Восстановление собственной ЭДС на выводах выбегающей машины после отключения короткого замыкания.

Выбор задержек блока DT отличается от режима трехфазного КЗ лишь уставкой t3, которая задается равной времени срабатывания устройства защиты, отключающего участок с повреждением. Все контакты коммутатора режимов QSA замкнуты на перемычку. С отключением выключателя Q последовательно срабатывают датчик ЕА, элементы DT1, DT2, DX и открывается тиристорный коммутатор QB. Выбег двигателя на КЗ происходит в течение времени задержки элемента DT3.

Характер нарастания во времени восстанавливающейся ЭДС машины, ее частотные и фазовые характеристики имеют существенное значение для оценки правильности поведения средств противоаварийной автоматики.

Восстановление питающего напряжения на выводах машины после кратковременного перерыва электроснабжения.

Задержка t1 блока DT постоянна, t2 – равна задаваемой длительности перерыва питания, t3 – соответствует общей длительности эксперимента. Контакты SA, SB и SC коммутатора режимов QSA замкнуты на одноименные фазы сети.

После пуска схемы элемент DT1 возбуждается сигналом датчика ЕА, элемент DT2 отсчитывает интервал перерыва питания и через элемент DX включает коммутатор QB, восстанавливающий электроснабжение выбегающего электродвигателя. Если преимущественное для исследований значение имеет фазовый угол включения машины на напряжение сети, то величина задержки t2 выставляется минимальной (равной нулю), а выбор момента подачи питающего напряжения осуществляется по величине разности фаз напряжений сети и электродвигателя датчиком ЕА.

Эксперимент раскрывает влияние длительности перерыва питания на непрерывность технологического цикла, величины токов и моментов при разных условиях восстановления напряжения на двигателе, эффективность функционирования автоматики замещения питающих направлений АВР.

Неполнофазный режим работы электрической машины.

В блоке задержек задаются уставки: t1 – как и раньше, t2 = 0, t3 – задается равной времени эксперимента. Контакт фазы, обрыв которой моделируется, следует перевести на перемычку, а контакты двух других фаз коммутатора режимов QSA замыкаются на одноименные фазы сети. С отключением выключателя Q электродвигатель без дополнительной задержки переходит на питание по двум выбранным фазам. Это позволяет исследовать как поведение машины, так и эффективность функционирования устройств защиты и автоматики в неполнофазных режимах питания.

Конкретное конструктивное исполнение установки допускает варианты. Так, коммутатор QB может быть и электромеханическим выключателем, в частности, в высоковольтных электроустановках, желательно с наименьшим собственным временем включения. В этом случае его размыкание при прекращении испытательного режима производят действием на отключающую катушку. В зависимости от мощности и напряжения испытуемой машины коммутатор режимов QSA выполняется в виде командоаппарата, группы рубильников или ряда клеммных зажимов, на котором перед испытанием производятся соответствующие переключения. Менее точный измерительный преобразователь ЕА реализуется на реле контроля синхронизма типа РН-55, более точный – на микроинтегральной элементной базе, например, в виде ПЛФ.

Описываемое устройство обеспечивает моделирование шести групп нестационарных режимов, позволяя определять основные характеристики двигательной нагрузки в этих режимах и исследовать поведение пусковых органов автоматики непосредственно в действующей электроустановке при минимальном воздействии на смежные электроприемники. Блок управления установки в виде отдельного устройства использовался при производственном эксперименте. При соответствующем выборе соединений коммутатора режимов QSA и коммутатора QB осуществляется моделирование дискретных фазовых переходов в цикле БАВР.


2 Теоретические основы логического анализа

и синтеза средств противоаварийной автоматики

2.1 Основы применения теории релейных устройств

для описания и совершенствования систем автоматики

Переходя к методам анализа и синтеза устройств системной автоматики, начнем с выбора необходимого математического аппарата и исследования его особенностей. При описании устройств РЗ и ПА используется, в основном, либо математический аппарат теории автоматического управления (ТАУ), т. е. дифференциальные уравнения, передаточная функция, структурная схема, пространство состояний [56], либо аппарат алгебры логики и ее приложения для устройств защиты и автоматики – ТРУ. Первый удобен для описания аналоговых схем систем регулирования, второй – для описания дискретных систем, в частности, устройств с квантованием сигнала по уровню, т. е. релейных.

Укажем на существенное для нас различие в этих направлениях. Математические модели линейных непрерывных систем регулирования описывают скорее конструктивное исполнение элементов (физический уровень) и вид их динамических (временных, частотных) характеристик. Исходные переменные (сигналы) теряются в конечной эквивалентной зависимости, их влияние на результат не очевидно.

Наоборот, в ТРУ конструктивное исполнение логических элементов не играет существенной роли, эквивалентная зависимость описывает именно закон (алгоритм) функционирования устройства, в котором влияние исходной переменной (сигнала) определяется ее наличием или отсутствием, прямой или инверсной формой, логической формулой, которой связаны исходные переменные.

Перечисленные ранее средства противоаварийной автоматики на подстанциях по классификации ТАУ относятся к релейным устройствам программного управления, поэтому их анализ и синтез целесообразно производить с помощью аппарата алгебры логики, используя дискретные элементы. Немаловажно и то, что синтезированный алгоритм может быть использован одинаково для построения как релейно-контактного (на электромеханических реле), так и микроинтегрального или микропроцессорного устройства. В некоторых случаях проще и надежнее выполнить схему на электромеханических реле, чем на микропроцессорном устройстве, которому необходим специальный источник питания, квалифицированный персонал для обслуживания и программирования, защита от помех в сети и наводок и т. д. Релейно-контактные схемы все еще достаточно распространены в эксплуатации, к тому же стоимость данных классов устройств различается на порядок, что важно с позиции ресурсосбережения.

Алгебра логики, лежащая в основе ТРУ, оперирует понятиями «1, да, истина», «0, нет, ложь» и логическими высказываниями, объединяющими некоторым образом эти понятия. Все устройства делятся на два класса: комбинационные (однотактные), результат на выходе которых зависит в любой момент времени только от комбинации (набора) переменных на входе, и последовательностные (многотактные), у которых на результат влияет также последовательность формирования сигналов во времени [7, 57].

Основными математическими моделями для комбинационных устройств являются логические формулы (зависимости), структурные схемы и таблицы истинности. К основным логическим функциям относят конъюнкцию (И, логическое умножение), дизъюнкцию (ИЛИ, логическое сложение) и НЕ (логическое отрицание). При синтезе и минимизации логических устройств производят равносильные преобразования формул и схем до получения заданного результата. Равносильность формул, разделенных знаком тождества =, доказывают сравнением таблиц истинности, восстановленных к каждой из них, либо преобразованиями на основе законов и аксиом алгебры логики.

Проиллюстрируем примерами основные законы алгебры логики:

- переместительный:  ; ;

- сочетательный:  ; ;

- распределительный: ;;

- инверсии (де Моргана):  ; .

Основные аксиомы или тождества:

Функция  алгебры логики n переменных называется симметричной по этим переменным, если любая их перестановка приводит к функции, тождественной данной. Здесь k – рабочее число, находится в пределах от 0 до n. Такая функция принимает значение 1 во всех случаях, когда в описывающих наборах имеется k единиц, и значение 0 – во всех остальных случаях.

Пороговой называется симметричная функция , где m – порог, определяющий минимальный суммарный вес переменных, истинность которых влечет за собой истинность функции. Для логических функций вес каждой переменной и значение порога – целые числа.

Частным случаем пороговой функции является мажоритарная функция от нечетного числа n  3 аргументов n = 2j + 1, где j = 1, 2, …, принимающая значение 1 лишь в том случае, когда это значение принимает более половины аргументов.

Необходимо отметить, что комбинационные устройства ведут себя в соответствии с установленными законами и аксиомами лишь в статическом состоянии. Во время переходного процесса из-за разной длительности прохождения сигнала по участкам схемы возможно появление недопустимого состояния, которое будет зависеть от порядка прихода заданных значений переменных в данную точку. Например, выражение вида , теоретически всегда равное константе 0, допускает импульсный переход в 1, если прямое значение переменной x уже изменилось до уровня 1, а инверсное значение  из-за инерционности переключения еще сохраняет значение 1 – это явление называется риском (состязанием) в нуле. Противоположное по результату явление для высказывания  называется риском (состязанием) в единице.

Иными словами, в переходном процессе комбинационные устройства могут вести себя, как последовательностные, даже при отсутствии специальных элементов задержки или памяти, что следует учитывать при построении схем во избежание недопустимых последствий. Законы и аксиомы алгебры логики, справедливые для комбинационных устройств в статическом состоянии, могут нарушаться или не выполняться в переходных состояниях. Если значения функции в установившихся состояниях до перехода и после него одинаковы, состязание (риск) называется статическим, если различаются, то состязание называется динамическим.

Последовательностные устройства можно разделить на собственно последовательностные (автоматы с памятью) и временные, включающие в себя элементы задержки. Все устройства, входящие в состав ПА на объектах с электродвигателями, содержат элементы выдержки времени и уже в силу этого (по определению) не являются комбинационными. Математический аппарат для описания последовательностных устройств значительно сложнее аппарата комбинационного, используются циклограммы, тактограммы, таблицы включений, переходов, состояний. Для учета временных операций разного рода в устройствах программного управления могут использоваться специальные операторы языка описания, например, ЖДАТЬ [57]. Однако в общем случае временные переменные учитывают лишь наличие собственных задержек прохождения сигнала через логический элемент [58].

Определим особенности дискретных устройств противоаварийной автоматики, которые отличают их от прочих дискретных устройств и выделяют в отдельный класс. Как правило, устройства ПА имеют малое число входных и выходных переменных и логическую структуру малой или средней сложности. В то же время весьма важную роль играет привязка входного набора переменных к режимам и состояниям объекта электроснабжения, тщательный качественный и количественный анализ диапазона изменения входных параметров, последовательности формирования тех или иных их значений. Временные интервалы, формируемые входящими в состав ПА элементами задержки, существенно превышают собственные физические задержки элементов и имеют разнообразное назначение (задержка появления, исчезновения сигнала, ограничение длительности и т.п.).

Поэтому для упрощения анализа и синтеза подобных схем используются специальные временные булевы функции (ВБФ), дополняющие теорию релейных устройств и наиболее полно описанные в [7]. Это  или t – задержка сигнала на появление,  или  – задержка сигнала на исчезновение,  – ограничение длительности сигнала (длительность сигнала на выходе равна длительности воздействия, если оно снимается раньше истечения t, и меньше ее, если время существования воздействия больше t), П – память (сигнал запоминается на неограниченное время), Пt – ограниченная память (сигнал сбрасывается через время t).

Дадим пример описания в терминах ТРУ полной типовой схемы АВР для двухтрансформаторной подстанции с пружинным приводом выключателей на переменном оперативном токе (рисунок 13).

Схема обеспечивает автоматический возврат к исходному состоянию подстанции после восстановления нормального электроснабжения от энергосистемы [59].

Составим множество входных переменных (входной алфавит):

– сигнал о наличии (отсутствии) напряжения на линии W1, на секции первого питающего направления;

– сигнал о наличии (отсутствии) напряжения на линии W2, на секции второго питающего направления;

– сигнал о включенном (отключенном) положении выключателя Q1, Q2 и Q3;

– сигнал о заведенной (спущенной) пружине привода выключателя Q1, Q2 и Q3, т. е. его готовности к включению;

– сигнал о включенном (отключенном) состоянии ключа управления SA, с помощью которого осуществляется ввод устройства АВР в работу.

Рисунок 13 – Устройство АВР двухтрансформаторной подстанции

Множество выходных переменных образуют воздействия на катушки управления приводом выключателя:

– электромагнит включения (отключения) выключателя ввода первой секции;

– электромагнит включения (отключения) выключателя ввода первой секции;

– электромагнит включения (отключения) секционного выключателя.

Множество промежуточных переменных составляют реле, формирующие временные интервалы:

– реле времени KT1, KT2 с задержкой на возврат t1 = t2 для первого питающего направления (контакты размыкающие);

– реле времени KT1, KT2 с задержкой на возврат t1 = t2 для второго питающего направления;

() – реле времени KT3 с задержкой на срабатывание t3 импульсного контакта для первого (второго) питающего направления;

() – реле времени KT3 с задержкой на срабатывание t4 упорного контакта для первого (второго) питающего направления;

() – реле однократности KQC с задержкой на возврат t5 (контакты замыкающие) выключателя ввода первой (второй) секции.

Переключение потребителей на резервный источник при неисправности основного.

Условие срабатывания АВР (включение выключателя Q3 после отключения выключателя первого Q1 или второго Q2 ввода) – для исключения неопределенности действий с временной переменной t5 используем здесь и далее дополнительные скобки

.

Условие отключения ввода первой секции при исчезновении напряжения на питающей линии (действие пускового органа АВР)

.

Условие отключения ввода второй секции при исчезновении напряжения на питающей линии (действие пускового органа АВР)

.

Возврат подстанции к исходному состоянию.

Условие включения выключателя соответствующего ввода после восстановления напряжения на питающей линии W1 или W2

,

.

Условие отключения секционного выключателя после восстановления напряжения на обеих питающих линиях при обоих включенных выключателях вводов

.

Теория релейных устройств позволяет эффективно совершенствовать средства автоматики энергосистем путем преобразования их логической структуры. Перспективным методом улучшения наблюдаемости или управляемости систем является увеличение числа наблюдаемых выходов или управляемых входов (числа независимых переменных), либо изменение места их приложения. Примем данные направления как основу для последующего совершенствования релейных средств противоаварийной автоматики. Покажем, что для этого во многих случаях не требуется кардинально менять принцип работы или конструкцию устройства.

В качестве объекта исследований рассмотрим устройство автоматической частотной разгрузки (АЧР), включающее две очереди АЧР и одну очередь частотного повторного включения (ЧАПВ). Проведем преобразование логической структуры данной системы (рисунок 14), используя методы теории релейных устройств.

Рисунок 14 – Структура устройства частотной автоматики

Устройство автоматики преобразует аналоговый входной сигнал u в выходные релейные сигналы y1, y2 в соответствии с функцией преобразования , подразумевающей четыре состояния системы, определяемые четырьмя частотными уставками . Выбор комбинации состояний системы производится заданием управляющего набора логических переменных x1 и x2.

Выполненный анализ [60] показал, что расширение функциональных возможностей гибридного (аналого-дискретного) устройства частотной автоматики путем увеличения числа внутренних состояний (уставок) может быть достигнуто связыванием уже имеющихся выводов для переключения уставки разных реле с помощью добавочного контакта (вводом добавочной переменной), либо изменением точки подключения этого контакта (замещением одной переменной на другую без изменения их количества).

Первое KF1 и второе KF2 реле частоты устройства (рисунок 15) подключены параллельно к источнику переменного напряжения, частота которого контролируется (к шинкам вторичного напряжения 100 В трансформатора напряжения).

Рисунок 15 – Устройство частотной автоматики

Оба реле имеют вывод для переключения уставки по частоте – у первого реле контактом x1, у второго – контактом x2. Основная уставка частотного реле определяется соотношением включенной части активного и реактивного сопротивлений обмотки реле, а изменяя величину активного сопротивления контактом x1 (x2), получают дополнительную уставку. Регулируемое активное сопротивление каждого реле частоты состоит: в реле KF1 – из остающейся R1.1 и исключаемой R1.2 частей, в реле KF2 – из соответствующих R2.1 и R2.2 частей.

При n = 2 дополнительных выводах общее число возможных уставок по частоте  не превышает 2n (таблица 1) и таким образом обеспечивается получение четырех сочетаний по два из четырех уставок. Здесь значение 0 переменной x1 (x2) соответствует разомкнутому состоянию контакта, а значение 1 – замкнутому; плюс в столбце таблицы означает использование данной частотной уставки при соответствующем наборе значений управляющих переменных x1 и x2.

Таблица 1

Значения

переменных

Основные уставки

Добавочные уставки

x2

x1

R1.1+R1.2

R2.1+R2.2

R1.1

R2.1

0

0

+

+

-

-

0

1

-

+

+

-

1

0

+

-

-

+

1

1

-

-

+

+

В соответствии с высказанными положениями, изменим вначале точку приложения управляющего воздействия, не увеличивая числа переменных – для этого введем новый контакт (переменная x3), исключив из схемы какой-либо из существовавших ранее, например, x2. (Можно сделать это иначе, например, просто переключив один вывод контакта x2 с общей точки на дополнительный вывод реле KF1). Теперь, если контакт x3 замкнут, а x1 разомкнут, на реле частоты образуются еще две дополнительные уставки (таблица 2), определяемые для KF1 сопротивлением R1.1 + Rэкв, а для KF2 – сопротивлением R2.1 + Rэкв, где

.

При двух логических управляющих переменных обеспечивается получение также четырех сочетаний по два, но уже из шести уставок по частоте. Увеличение числа уставок без изменения количества измерительных органов дает возможность повысить эффективность устройств автоматики, например, в рассматриваемом случае – увеличением числа очередей АЧР1, АЧР2, ЧАПВ, либо организацией пуска быстродействующего АВР по скорости снижения частоты на подстанции с электродвигателями [61].

Таблица 2

Значения

переменных

Основные уставки

Добавочные уставки

x3

x1

R1.1+R1.2

R2.1+R2.2

R1.1

R2.1

R1.1+Rэкв

R2.1+Rэкв

0

0

+

+

-

-

-

-

0

1

-

+

+

-

-

-

1

0

-

-

-

-

+

+

1

1

-

-

+

+

-

-

Если переключить один вывод контакта x1 с общей точки на дополнительный вывод реле KF2, то при тех же двух логических управляющих переменных обеспечивается получение также четырех сочетаний по два из шести уставок по частоте, но с получением одного иного сочетания уставок.

Добавление переменной x3 к уже имеющимся x1-x2 дает возможность получить пять сочетаний по два из шести уставок (таблица 3).

Таблица 3

Значения

переменных

Основные уставки

Добавочные уставки

x3

x2

x1

R1.1+R1. 2

R2.1+R2.2

R1.1

R2.1

R1.1+Rэкв

R2.1+Rэкв

1

2

3

4

5

6

0

0

0

+

+

-

-

-

-

0

0

1

-

+

+

-

-

-

0

1

0

+

-

-

+

-

-

0

1

1

-

-

+

+

-

-

1

0

0

-

-

-

-

+

+

1

~

1

-

-

+

+

-

-

1

1

~

-

-

+

+

-

-

Примечание – Символ тильда (~) позволяет в одной строке описать два набора значений переменных – с прямым и инверсным значениями переменной, обозначенной этим символом, сократив размер таблицы.

В этом случае, например, уставка 3 по частоте реле KF1, обеспечиваемая частью регулируемого активного сопротивления R1.1, соответствует после минимизации алгоритму функционирования устройства

.

Уставка 1 (R1.1+R1. 2) задается набором переменных

.

Уставка 2 (R2.1+R2.2) обеспечивается набором переменных

.

Уставка 4 (R2.1) задается комбинацией переменных

.

Наконец, уставке 5 (R1.1+Rэкв) и уставке 6 (R2.1+Rэкв) соответствует комбинация управляющих переменных

.

Приведенный пример подтверждает эффективность совершенствования комбинационной части гибридных устройств дискретной автоматики реорганизацией их логической структуры с использованием теории релейных устройств.

2.2 Развитие принципов описания многотактных

схем временными булевыми функциями

Рассмотрение аппарата ВБФ, методов анализа и синтеза устройств ПА с их помощью приводит к заключению, что некоторые положения ТРУ в части применения временных функций нуждаются в уточнении и развитии [62].

Прежде всего, укажем на отсутствие четко сформулированного краеугольного положения: особенностью временных переменных является их неспособность существовать самостоятельно – они зависимы и обязательно привязываются к некоторой независимой (опорной) переменной, отражая ее поведение во времени. С любой временной функцией (переменной) неразрывно связаны два момента, осуществляющие отметку во времени (выделение временного отрезка) – момент начала отсчета временного интервала и момент окончания отсчета (порог времени). Порог времени может быть равен нулю, стремиться к бесконечности или находиться в диапазоне 0 < T < .

Второй момент неразрывно связан с самой временной функцией. Если это функция задержки сигнала на появление, исчезновение, ограничения длительности или ограниченная память, то в прилагающемся к ней описании должны указываться длительность интервала и номер (индекс) этого интервала при количестве таких интервалов больше одного. Упомянутый номер (индекс) обязательно вводится в обозначение временной переменной (функции), например, t1, отображая эту связь.

Для временной булевой функции ПАМЯТЬ, у которой порог времени всегда одинаков и находится в бесконечности, должна также отображаться связь с некоторой переменной, осуществляющей сброс запоминания (установку на нуль). Она может представлять собой как отдельную независимую переменную, так и результирующую функцию, поскольку зависимость функции от самой себя как раз свидетельствует о наличии обратной связи и способности схемы к запоминанию состояния. Отсутствие такой переменной в формуле говорит об ошибке.

Что же касается момента начала отсчета временной переменной, то он фиксируется по изменению состояния (от 0 к 1, от 1 к 0) не временной, а некоторой другой логической переменной, которую мы назовем опорной. Только с момента изменения состояния опорной переменной возникает собственно временная переменная и начинает реализовываться временная функция.

Отсюда следует постулат 1: временная переменная всегда зависима от определенной логической переменной или логического выражения и может существовать лишь в совокупности с ними, образуя конъюнктивную форму.

Конъюнкция (конъюнктивная форма или КФ) имеет место лишь при количестве переменных более одной.

Отсюда следует постулат 2: не могут иметь места любые унарные операции с отдельно взятой временной переменной. В частности, не могут использоваться единственно для временной переменной операции ПОВТОРЕНИЕ  или ОТРИЦАНИЕ .

Поскольку в дизъюнкции (дизъюнктивной форме или ДФ) остальные переменные, помимо временной, могут и отсутствовать (равняться нулю), а, значит, может отсутствовать главная (опорная) переменная, использование ДФ ведет к неопределенности момента начала отсчета и неоднозначности результата высказывания, вследствие чего высказывание лишается смысла.

Рассмотрим доказательства этого положения: подставим в функцию x + t значение x = 1, тогда результирующее значение функции согласно аксиоме a + 1 = 1 равно 1 независимо от состояния временной переменной t или заданного порога времени. Подставим в функцию x + t значение x = 0, тогда результирующее значение функции равно t, однако неизвестен момент начала отсчета. Если начало отсчета смещено влево к началу оси времени, а заданный интервал является конечной величиной, то к моменту изменения переменной x от 1 к 0 интервал уже истек и переменная t имеет значение 1, т. е. никакого отсчета задержки не производится, а функция будет постоянно равна 1. Если начало отсчета смещено по оси времени в бесконечность вправо, интервал не может истечь, несмотря на его конечность, и происходит изменение значения функции на 0 без задержки.

Отсюда следует постулат 3: не могут иметь места любые логические выражения и соответствующие преобразования, объединяющие в дизъюнктивной форме отдельно взятую временную переменную и иные переменные.

Например, недопустимы преобразования, приводимые в [7], наподобие

,

поскольку в последнем (предпоследнем) высказывании отсутствует указание, относительно какой переменной и какого ее значения (0 или 1) производится отсчет интервала времени, относительно какой переменной выполняется ВБФ.

В отличие от остальных ВБФ, временная булева функция ПАМЯТЬ, записываемая в явном виде, требует включения в конъюнкцию второй обязательной (опорной) переменной, осуществляющей сброс запоминания (установку на нуль).

Если опорной для временной переменной объявлена константа 1, момент начала отсчета становится неопределенным (отодвигается к бесконечности влево по оси времени), выражение теряет смысл.

Отсюда следует постулат 4: любые логические выражения и соответствующие преобразования, связывающие конъюнктивно временную переменную с константой 1, исключают временную переменную.

,

В итоге, из 16 типовых логических функций двух и более переменных к временным переменным приложимы лишь шесть (таблица 4).

Таблица 4

Название функции

Формула

Название функции

Формула

Конъюнкция

Равнозначность

Запрет по x

Неравнозначность

Запрет по t

Стрелка Пирса

В [7] провозглашено правило, что временная переменная (оператор) всегда записывается за обозначением сигнала (или комбинации сигналов), указывая на производимую с ним временную операцию. Представляется, что для комбинации сигналов это правило нуждается в уточнении. Так, временной оператор  не относится к переменной x1, хотя она и находится слева от него

.

Не равносильны приводимые высказывания, в каждом из которых слева от временной функции находятся три переменные x1, x2 и x3

,

поскольку в первом из них задержка выполняется для сигнала x1x2x3, во втором задержка выполняется только для сигнала x2x3, а в третьем только для сигнала x3.

Не обеспечивают одинаковое выполнение временной функции и следующие высказывания

.

Отсюда следует постулат 5: временная переменная (функция) всегда зависима от логического выражения, конъюнктивно связанного с ней и находящегося слева от нее, если иное не определено использованием операции, имеющей более высокий приоритет, нежели конъюнкция.

К указанным операциям относятся, например, как показано выше, использование скобочной формы или логического отрицания, связывающего независимые переменные наравне со скобками.

Руководствуясь постулатом 5, можно считать, что всегда временной оператор, стоящий в выражении правее, выполняется позже указанного слева от него, если иное не оговаривается специально.

Отсюда следует постулат 6: запись логических высказываний для временных устройств производится слева направо в порядке выполнения временных операций.

Вторая опорная переменная, требующаяся в записи ВБФ ПАМЯТЬ, в отличие от первой записывается обязательно после временной функции ПАМЯТЬ – в [7] предложено разделять их вертикальной чертой, не являющейся само по себе каким-либо оператором, например, в высказывании

первой опорной переменной, по состоянию которой начинается отсчет длительности запоминания сигнала, является x1, второй опорной переменной, сбрасывающей запоминание, является x2.

На наш взгляд, требует уточнения основополагающее утверждение, что основные законы и аксиомы алгебры логики, а также правила минимизации остаются справедливыми и для многотактных релейных устройств, содержащих элементы, реализующие временные операции. Из сформулированных выше положений вытекает, что к записям с ВБФ должны применяться некоторые ограничения, которых нет у независимых переменных.

Ограничения к переместительному (коммутативному) закону.

Нельзя в логическом высказывании менять местами простые сомножители, образующие ВБФ, ибо новое выражение в силу постулатов 5, 6 не будет равносильным предыдущему. Очевидно, что второе выражение не равносильно первому и не имеет смысла, так как слева от временного оператора нет переменной

.

Ограничения к сочетательному (ассоциативному) закону.

Скобочные формы изменяют порядок операций во времени. В силу этого нельзя к высказыванию с ВБФ при прочих операциях одного ранга произвольно применять скобочные формы, так как новое выражение может не быть равносильным предыдущему. В частности, не равносильны приводимые высказывания, поскольку во второй конъюнкции задержка относится только к переменной y, а в первой – к составной переменной xy

и .

Ограничения к распределительному (дистрибутивному) закону.

Закон справедлив для ВБФ лишь в том случае, если она образует со скобочной формой конъюнкцию. Например, равносильны высказывания

,

и не равносильны (более того, не имеют смысла согласно постулату 3)

и .

Ограничения к закону инверсии (де Моргана).

Поскольку в каждом из равносильных преобразований закон содержит ДФ, согласно постулату 3 применяться для ВБФ он не может.

Ограничения к закону повторения (идемпотентности).

Закон не выполняется для ВБФ согласно постулату 1 в логическом выражении

,

поскольку в данной КФ отсутствует опорная переменная, выражение не имеет смысла.

Закон не выполняется для ВБФ в логическом выражении

,

поскольку последовательно включенные задержки не эквивалентны одной, а образуют сумму задержек t + t + t + …, что равносильно записи

;

однако он выполняется для логического выражения

,

в котором все задержки связаны с одной и той же логической переменной и осуществляются одновременно.

Из предыдущих рассуждений вытекает, что недопустимыми (нереализуемыми) являются преобразования логических выражений, содержащих ВБФ, отделяющие временную переменную от связанной с ней логической опорной переменной, по состоянию которой определяется порог начала отсчета временного интервала. Те же положения определяют возможность применения к ВБФ законов алгебры логики.

Отсюда следует постулат 7: возможны любые стандартные преобразования переключательных схем с временными элементами, если не нарушается конъюнктивная связь временной и опорной переменных.

При преобразованиях за переменную следует принимать не саму временную переменную, а ВБФ, т. е. неразрывную совокупность (конъюнктивную форму) временной и опорной переменных. В частности, реле времени с мгновенными замыкающим и размыкающим, а также временными импульсным t3 и упорным t4 контактами отображается четырьмя наборами

где задержки t1 и t2 равны нулю, t5 – времени замкнутого состояния импульсного контакта, а x имеет индекс переменной, возбуждающей реле времени, и поглощается последней по закону повторения при записи в виде КФ, т. е.

.

Для функции ПАМЯТЬ неразрывную совокупность образуют первая, вторая опорная переменная и оператор П между ними.

Покажем методику преобразований на примере

Закон де Моргана в соответствии с постулатом 7 не используется для КФ, связывающих опорные переменные x, y и временную переменную , но применяется в остальных случаях.

Следует, на наш взгляд, уточнить и положения о возможности преобразований над временными операторами одинаковой природы, но разной длительности, связанными с разными опорными переменными. Утверждается, например, что при конъюнкции сигналов с операторами задержки  за скобки могут выноситься операторы с наибольшим параметром

(при t2 > t1).

Очевидно, что это утверждение справедливо лишь в частном случае регулярной последовательности сигналов на входах (рисунок 16, а), когда начало отсчета интервала по обеим опорным переменным совпадает – тогда большая временная переменная t2 поглощает меньшую t1. Однако, если изменение уровней переменных x и y от 0 к 1 происходит неодновременно (рисунок 16, б), то, начиная с момента времени t2 - t1 (точка b), задержка после последнего перехода от 0 к 1 не превышает длительности t1. Если изменение уровня переменной x происходит в интервале времени 0 < t < t2 - t1, производимая задержка будет лежать в пределах t1 < t < t2.

а)     б)

Рисунок 16 – Преобразования с операторами задержки

Отсюда следует уточнение: при конъюнкции сигналов с операторами задержки  разной длительности, но одного вида, операторы с наибольшим параметром могут выноситься за скобки только при условии одновременного изменения одноименного состояния опорных переменных (совпадения во времени момента начала отсчета по всем опорным переменным).

Аналогичный анализ утверждения, что при конъюнкции сигналов с операторами задержки  за скобки могут выноситься операторы с наименьшим параметром

(при t2 > t1),

говорит о том, что и оно относится к частному случаю, когда момент начала отсчета временного интервала по всем опорным переменным совпадает (рисунок 17, а). Если же уровень переменной x изменится от 1 к 0 через время t2t1 и более после аналогичного изменения уровня переменной y (рисунок 17, б), то общая задержка от момента исчезновения хотя бы одного сигнала увеличится до t2 и упомянутое утверждение становится ложным. При условии, что изменение уровня переменной x происходит в интервале времени 0 < t < t2t1, задержка исчезновения сигнала будет лежать в пределах t1 < t < t2.

а)      б)

Рисунок 17 – Преобразования с операторами задержки

Отсюда следует уточнение: при конъюнкции сигналов с операторами задержки  разной длительности, но одного вида, операторы с наименьшим параметром могут выноситься за скобки только при условии одновременного изменения одноименного состояния опорных переменных (совпадения во времени момента начала отсчета по всем опорным переменным).

Таким образом, аппарат временных булевых функций является мощным средством упрощения и повышения эффективности процедур анализа и синтеза релейных схем, однако его применение требует четкого соблюдения определенных правил и дополнительного анализа [63]. Во всех последующих преобразованиях релейных устройств мы будем руководствоваться сформулированными в данной главе положениями и свойствами ВБФ из [7].

2.3 Дополнение теории релейных устройств аппаратом

последовательностных логических функций

Опираясь на принципы, сформулированные для ВБФ, целесообразно ввести дополнительный аппарат и для описания последовательностных устройств средствами комбинационной логики, без использования достаточно громоздких, не всегда наглядных таблиц включений и переходов. Запись принципа работы многотактного устройства формулами комбинационной логики, устанавливающими в явном виде соответствие значения функции значениям аргументов, упростила бы инженерную процедуру анализа и синтеза конечных автоматов, соответствуя принципам ресурсосбережения.

Для этого нами введены понятия последовательностной логической функции совпадения (ПЛФ) и указывающего на ее выполнение оператора ОПЕРЕЖЕНИЕ (→) [64]. Опережение некоторого сигнала определяется относительно порога времени, за который принимают момент образования значения 1 сопоставляемого сигнала. В соответствии с назначением оператора запись вида  отражает следующее условие истинности: y равен 1, если обе независимые переменные становятся равными 1, причем x1 раньше, чем x2.

Соревнование нулевых значений переменных будем обозначать стрелкой влево. Соответственно оператор () будет указывать на то, что логическое высказывание ложно, когда в дизъюнкции ложны все независимые переменные, причем покрываемая им переменная переходит от 1 к 0 ранее других переменных, связанных той же дизъюнкцией.

Проведены исследования соотношений оператора ОПЕРЕЖЕНИЕ и ПЛФ со стандартными аксиомами и законами алгебры логики в дополнение к установленным ранее свойствам. Аксиомы, теоремы и соотношения, описывающие свойства элементарных последовательностных логических функций совпадения получены методом подстановки независимых переменных с перебором всех возможных значений временных соотношений между ними. При этом считаем, что, подобно функции отрицания НЕ, функция ОПЕРЕЖЕНИЕ имеет приоритет перед другими функциями и связывает охватываемые ею переменные так, что скобки в записи выражения необязательны.

Последовательность одного логического высказывания во времени можно определить только по отношению к другому высказыванию, неравному константе 1 или 0, поэтому последовательностной может быть только функция совпадения (конъюнкция для прямых и дизъюнкция для инверсных значений) по меньшей мере двух независимых переменных. Отсюда следует, что к последовательностным функциям не применимы унарные операции вида  или .

Для ПЛФ выполняются следующие аксиомы:

Законы комбинационной логики справедливы внутри одного состязания, связывающего отдельные аргументы или их наборы. Преобразования схемы, соответствующие применению коммутативных (переместительных), ассоциативных (сочетательных) и дистрибутивных (распределительных) законов, не изменяют порядка состязания.

Закон идемпотентности (повторения) для ПЛФ дополняется правилом поглощения: в ДНФ простая конъюнкция поглощает соревнующуюся, в КНФ наоборот

,

,

,

,

,

.

Дизъюнкция состязаний разного временного порядка одной переменной в КНФ равна нормальной конъюнкции соревнующихся переменных, в ДНФ равна 1; конъюнкция состязаний разного временного порядка одной переменной в ДНФ равна 0

Преобразования схемы, соответствующие закону поглощения, исключают соревнования

Преобразования схемы, соответствующие применению закона де Моргана (взаимная замена элементов И и ИЛИ, инвертирование входов и выходов) сохраняют первоначальное состязание

Соревнование некоторой переменной с ее же значением влечет результат 1 в ДНФ конъюнкций и 0 в КНФ дизъюнкций

Таким образом, ранее исследованные [65] и вновь полученные свойства оператора ОПЕРЕЖЕНИЕ позволяют в совокупности получить математический аппарат, достаточный для анализа и синтеза последовательностных устройств по законам комбинационной логики при условии, что состязание по отношению к i-переменной после преобразования сохраняется. Применим расширенный аппарат алгебры логики, включающий комбинационные функции, временные булевы функции и последовательностные логические функции, для описания известных типовых устройств ПА, в частности, синхронизатора с постоянным углом опережения и устройства автоматики ликвидации асинхронного режима (АЛАР).

Пример 1 – схема устройства автоматики, реагирующего на скорость изменения частоты [4] и используемого в защитах от потери питания электродвигателей. Реле частоты KF1 и KF2 (рисунок 18) настроены на частоты срабатывания f1 > f2. Если скорость снижения частоты мала, запущенное контактом KF1 реле времени KT разомкнет цепь катушки реле KL раньше, чем замкнутся контакты реле частоты KF2, устройство не срабатывает.

Рисунок 18 – Автоматика, реагирующая на скорость

снижения частоты

Традиционное описание схемы без ПЛФ ОПЕРЕЖЕНИЕ

содержит временные булевы функции ОГРАНИЧЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСА  и ПАМЯТЬ П, причем в схеме отсутствует переменная сброса памяти, что является ошибкой.

Алгоритм, записанный посредством ПЛФ ОПЕРЕЖЕНИЕ, не только нагляднее, но и не содержит указанного ошибочного запоминания сигнала без его сброса

.     (10)

Логическое высказывание истинно, если имеются сигналы от обоих реле частоты, причем задержанный на время t сигнал первого реле частоты формируется позже появления сигнала второго реле частоты.

Пример 2 – схема автоматики точной синхронизации генератора с постоянным углом опережения СПУО [66]. Пусковые реле напряжения KV1 и KV2 (рисунок 19) отпадают на спаде полуволны напряжения биений, причем KV1 раньше, так как имеет более высокую уставку. Контактом KV1 запускается элемент задержки KT, отсчитывающий интервал времени t. Если выдержка времени KT истекает прежде отпадания KV2, синхронизатор срабатывает на включение генераторного выключателя, в противном случае он не должен действовать.

Рисунок 19 – Схема синхронизатора СПУО

Соответственно формулируются логические высказывания для отдельных элементов и существующей схемы в целом

, ,

.

Алгоритм, построенный с использованием ПЛФ, более компактен и ясен, использует всего одну промежуточную переменную t

.

Он указывает на то, что синхронизатор возбуждается, когда поступают одновременно сигнал об отсутствии напряжения биений на уровне KV2 и задержанный на время t сигнал об отсутствии напряжения на уровне KV1, причем последний прежде первого.

Сравнение данного алгоритма с (10) позволяет сделать вывод, что логическая часть обоих устройств может быть выполнена идентично. Таким образом, запись логических выражений на основе ПЛФ дает возможность упростить и унифицировать структуру разных устройств автоматики.

Пример 3 – пусковой орган автоматики АЛАР [4], содержащий реле тока КА и реле активной мощности двустороннего действия KW (рисунок 20).

Рисунок 20 – Пусковой орган автоматики АЛАР

Нарушение синхронизма и переход угла через 180 характеризуются изменением знака перетока активной мощности по линии связи участков энергосистемы при максимальном значении тока в линии, в этот момент должно срабатывать выходное реле KL3. При переходе зоны = 0 ток в линии равен нулю, реле KA размыкает контакты и запрещает действие устройства. Знаку угла между векторами напряжений по концам линии соответствует определенное состояние контактов реле активной мощности: если отстает вектор напряжения U1, замкнут контакт KW.1, если отстающим является вектор напряжения U2, замкнут контакт KW.2.

Алгоритм функционирования основного KL3 и вспомогательных KL1, KL2 элементов схемы

,

,

.

Из выражений для KL1, KL2 видно, что в схеме имеются обратные связи, а, следовательно, реализуется логическая функция ПАМЯТЬ (оператор П), однако в целом алгоритм неясен для понимания принципа работы устройства. Обозначив входные переменные: x1 – значение тока в линии, x2 – положительный знак перетока активной мощности в линии, x3 – отрицательный знак перетока активной мощности в линии, промежуточные переменные z1 (KL1), z2 (KL2) и выходную переменную Y (KL3), опишем функционирование устройства аналогичного назначения с использованием оператора ОПЕРЕЖЕНИЕ

,

,

.

Приводимые примеры подтверждают эффективность применения введенных последовательностных логических функций для описания существующих и построения новых устройств автоматики.

2.4 Принципы построения последовательностных

логических элементов

Для реализации последовательностных функций целесообразно разработать и исследовать базовые элементы контроля порядка следования сигналов. Предварительная оценка позволяет предположить широкую область их использования в системах автоматики.

Как показал анализ, возможно сравнение реально существующих сигналов, сравнение их отражений (отображений) и сравнение реального сигнала с отражением (отображением) другого сигнала. Будем называть отображением некоторое воздействие, используемое вместо реального и имеющее относительно него заведомо обусловленный сдвиг во времени (по фазе). Например, совпадение напряжений UA1 и UB2 говорит для нормальных систем напряжений прямой последовательности о том, что вторая система опережает первую по фазе на 120°.

Будем называть отражением некоторое воздействие, воспроизводящее имевшее ранее место событие в течение ограниченного (временная функция задержки сигнала на исчезновение) или неограниченного (функция ПАМЯТЬ) интервала времени. Например, сравнение отражения с реальным сигналом формулируется так: x1 опережает x2, если к моменту появления x2 еще существует эквивалент . Этот способ допускает получение неверного результата при совпадении x2 не с моделируемым, а с реальным сигналом x1, в том интервале времени, когда x2 формируется ранее x1 и совпадает с ним.

Поэтому для синтеза типового последовательностного элемента совпадения возьмем за основу фиксацию последовательности образования действительных величин входных переменных в момент их совпадения во времени. Выполняя элементарную последовательностную схему совпадения  из совокупности ячейки ПАМЯТЬ и элементов И (рисунок 21), определим, какое число входов элементов И достаточно для надежной работы схемы.

Рисунок 21 – Схема совпадения

Рассмотрим таблицу переходов синтезируемой схемы (таблица 5) при изменении уровня сигнала x1 с 0 в 1 и обратно, считая, что связи a и b пока отсутствуют. Сигнал на выходе конечных схем И не должен отличаться от 0, так как отсутствует сигнал 1 на входе x2, однако в строке 2 мы видим переход y2 к уровню логической 1 на время, равное собственному времени задержки элемента И, входящего в состав асинхронного триггера.

Таблица 5

x1

x2

p

q

y1

y2

0

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

Анализ логической зависимости на выходе y1 схемы подтверждает возможность статического состязания (риска) в нуле

,

поскольку существует элементарное произведение прямого и инверсного значений переменной x1 и отсутствуют элементарные произведения других переменных, равные 1 на начальном и конечном наборах [67].

Выполним анализ поведения схемы в начальный момент выбега двигателей на секции (рисунок 7, в) с помощью таблицы переходов 6, и после прохождения угла 180º – с помощью таблицы переходов 7.

Таблица 6       Таблица 7

Состояние

x1

x2

q

p

y1

y2

Состояние

x1

x2

q

p

y1

y2

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

1

0

0

2

1

0

1

1

0

1

2

0

1

1

1

1

0

3

1

0

0

1

0

0

3

0

1

1

0

0

0

4

1

1

0

1

1

0

4

1

1

1

0

0

1

5

0

1

0

1

1

0

5

1

0

1

0

0

1

6

0

1

1

1

1

0

6

1

0

1

1

0

1

7

0

1

1

0

0

0

7

1

0

0

1

0

0

8

0

0

1

0

0

0

8

0

0

0

1

0

0

9

0

0

1

1

0

0

9

0

0

1

1

0

0

Логическая 1 в трех строках таблиц 6 и 7 соответствует правильному определению последовательности формирования входных сигналов x1 и x2 при их совпадении. В то же время 1 в единственной строке другой выходной переменной y1 (y2) для состояния номер 2 говорит о формировании ложного сигнала из-за существования физических задержек у логических элементов.

Существует несколько путей устранения нежелательных состязаний, в том числе ввод дополнительных связей, изменяющих структуру устройства так, чтобы исключить влияние собственных задержек, а также фильтрация выходных переменных с помощью дополнительных элементов задержки. Пойдем первым путем и введем дополнительные связи «a» и «b» (рисунок 21). Результат оценим по таблицам переходов 8 и 9.

Таблица 8 Таблица 9

Состояние

x1

x2

q

p

y1

y2

Состояние

x1

x2

q

p

y1

y2

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

1

0

0

2

1

0

1

1

0

0

2

0

1

1

1

0

0

3

1

0

0

1

0

0

3

0

1

1

0

0

0

4

1

1

0

1

1

0

4

1

1

1

0

0

1

5

0

1

0

1

0

0

5

1

0

1

0

0

0

6

0

1

1

1

0

0

6

1

0

1

1

0

0

7

0

1

1

0

0

0

7

1

0

0

1

0

0

8

0

0

1

0

0

0

8

0

0

0

1

0

0

9

0

0

1

1

0

0

9

0

0

1

1

0

0

Введенные связи резко сократили количество состояний, которым соответствует единица на выходе схемы, в том числе устранена возможность рисков – в строке 2 нет ложной единицы. Разработанный последовательностный элемент будет использован далее для построения логических устройств автоматики.

Запишем теперь минимизированный алгоритм функционирования типового последовательностного элемента (см. рисунок 21) с использованием операторов комбинационной логики и оператора ОПЕРЕЖЕНИЕ

Аналогичным образом строится последовательностная схема совпадения на логических элементах ИЛИ для нулевых значений переменных.

В приведенных таблицах не рассматривались состояния для перехода от входного набора 00 сразу к набору 11. Наиболее показательным в этом отношении является анализ последовательностного логического элемента (ПЛЭ) совпадения, разработанного нами для схем на переменном оперативном токе или систем с монотонно изменяющимися сигналами [68]. В качестве базового элемента использован тиристор, благодаря чему логические шины и цепи питания совмещаются. Элемент  содержит оптоэлектронные тиристорные пары V1, V2, согласующие элементы R1, R2, V3, V4 и пороговые исполнительные элементы K1, K2 (рисунок 22). Входными переменными являются x1 и x2, выходными переменными Y1 и Y2.

Рисунок 22 – Тиристорный последовательностный элемент

Существенным является выбор порога включения тиристора по управляющему входу и порога включения исполнительного элемента (для конкретного случая выбраны соответственно уровни 0,5Uном и 0,8Uном, показанные на рисунке 23).

а)       б)

в)       г)

Рисунок 23 – Состояния тиристорного элемента

Элемент имеет четыре области работы, для которых можно записать следующие логические зависимости

В зоне II элемент формирует сигнал только на выходе y2, поскольку сигнал на его управляющем входе x1 опережает во времени (по фазе) сигнал x2 питающего напряжения при их совпадении (рисунок 23, б, диапазон 35-80°). Тиристорный оптрон V2 в зоне II включается от управляющего сигнала x1, удерживается в открытом состоянии до окончания сигнала x2 и к пороговому элементу К2 прикладывается импульсная последовательность с максимальной амплитудой. Оптрон V1 открывается отстающим по фазе сигналом x2 в конце полуволны анодного сигнала x1 и пороговый элемент К1 не срабатывает.

В зоне IV (рисунок 23, г, диапазон 280-325°) определяющим является опережающий приход переменной x2 на управляющий вход оптрона V1, элемент К1 реализует зависимость . В зоне I (рисунок 23, а, диапазон 0±30°) схема не работает, в зоне III (рисунок 23, в, диапазон 85-275°) она контролирует только совпадение во времени без фиксации знака опережения, поскольку выполняются условия действия обоих элементов К1 и К2.

Дополнительные исследования данного элемента впервые показали, что в общем случае возможно пять состояний входов последовательностного устройства: одно – когда совпадение входных переменных вообще отсутствует, и еще четыре – когда входные переменные совпадают с опережением (отставанием) одной из них или заданные значения входных переменных формируются одновременно, без опережения или отставания. Соответственно реализующие устройства могут различаться величиной (временем) зоны нечувствительности (когда устройство не реагирует, несмотря на совпадение сигналов) и способом отклика на синхронное появление сравниваемых переменных (реакция отсутствует, реакция формируется на произвольном выходе, реакция существует всегда и на обоих выходах). У рассмотренного элемента реакция на появление входных воздействий c рассогласованием во времени менее определенной величины существует всегда и в достаточно широком диапазоне.

В системах с сигналами прямоугольной формы зона нечувствительности сокращается во времени, как правило, до величины собственной задержки логической ячейки – в случае аппаратной реализации, и до значения интервала квантования, определяемого тактовой частотой микропроцессора – при программной реализации.

Итак, рассмотрим принципы реализации последовательностных элементов совпадения аппаратным и программным путем, обращая внимание на характер выходных сигналов при одновременном формировании входных переменных, другими словами – на наличие или отсутствие зоны особой реакции на синфазное изменение входов.

В устройствах автоматики, закон функционирования которых задается программным путем на языках высокого уровня, последовательностная логическая функция совпадения для сигналов уровня логической единицы может быть реализована с вводом одной (трехзначной) или двух (двухзначных) вспомогательных переменных (в примере – переменная Flag). Приводимый фрагмент программы отображает реализацию устройства первого рода, когда выходная реакция на синфазное образование входных переменных отсутствует. Длительность зоны нечувствительности здесь определяется тактовой частотой процессора, реализуется синхронный автомат.

start:

input x1, x2

if x1=0 and x2=0 then flag=0

if x1=1 and x2=0 then flag=1

if x1=0 and x2=1 then flag=2

if x1=1 and x2=1 then

select case flag

 case 1: y1=1

 case 2: y2=1

end select

else

y1=0: y2=0

end if

goto start

Вариант исполнения последовательностной схемы совпадения (рисунок 24) характеризуется тем, что при синфазном изменении входов одновременно изменяются оба выхода. Схема может быть выполнена на элементах интегральной схемотехники и содержит триггеры-защелки 1 и 2, элементы ИЛИ 3 и 4, одновибраторы 5 и 6, элемент ИЛИ-НЕ 7.

Рисунок 24 – Последовательностный элемент на триггерах-защелках

Одновибраторы показаны в наиболее простой реализации, длительность формируемого ими импульса определяется лишь собственным временем переключения входящего в них элемента НЕ, однако они могут быть выполнены и иным образом, со специальными времязадающими компонентами. Триггер-защелка (LATCH) соответствует D-триггеру, управляемому уровнем тактовых сигналов. Когда входной сигнал разрешения E (Enable) имеет высокий уровень, D-триггер пропускает сигнал от входа D к выходу Q, если же вход E имеет низкий уровень, сохраняется предыдущее состояние выхода Q независимо от уровня сигнала D.

При отсутствии обоих входных сигналов (x1 = 0, x2 = 0) на выходе элемента ИЛИ-НЕ 7 присутствует сигнал уровня логической 1, который через элементы ИЛИ 3 и 4 подается на входы Е обоих триггеров 1 и 2 (рисунок 25).

Рисунок 25 – Временная диаграмма работы элемента

В силу этого на выходы схемы передаются уровни логического 0 с входов D, т. е. y1 = 0, y2 = 0. С появлением 1 на входе x1 высокий уровень на выходе элемента ИЛИ-НЕ 7 сменяется низким, оба триггера переходят в режим хранения информации. По переходу от 0 к 1 на входе x1 одновибратор 6 формирует короткий импульс уровня 1, однако, поскольку на D-входе триггера 2 сохраняется значение x2 = 0, состояние выходов схемы не изменяется. С появлением 1 на входе x2 формируется короткий импульс уровня 1 на выходе одновибратора 5, триггер 1 передает сигнал x2 = 1 с входа D на свой выход Q и возвращается в режим хранения информации, поэтому теперь y1 = 1, y2 = 0. Это состояние выходов сохраняется до обнуления обеих входных переменных, когда сигналом 1 элемент ИЛИ-НЕ 7 снова переводит оба триггера в режим передачи информации низкого уровня 0 с входов D на выходы Q.

Обратный порядок формирования логической 1 на входах x2, x1 приводит к обратной последовательности операций, благодаря чему в момент перехода от 0 к 1 переменной x1 импульсом одновибратора 6 значение x2 = 1 передается с входа D на выход Q триггера 2 и запоминается до обнуления обеих переменных. На весь этот интервал времени выходы устройства имеют уровни y1 = 0, y2 = 1. Наконец, если входные переменные изменили уровень от 0 к 1 синхронно, формируется состояние y1 = 1, y2 = 1 благодаря одновременному срабатыванию одновибраторов 5 и 6.

У предложенного устройства длительность выходного сигнала одинакова, независимо от момента совпадения единичных значений входных импульсов. Она определяется временем, в течение которого сохраняется, по крайней мере, один сигнал на входе после их совпадения. Следовательно, элемент дополнительно играет роль расширителя импульсов. При полном совпадении моментов образования входных переменных, т. е. отсутствии опережения во времени какого-либо из воздействий относительно второго, формируется сигнал на обоих выходах устройства, выделяя это состояние. Являясь аналогом тиристорного ПЛЭ, рассмотренный последовательностный логический элемент совпадения имеет меньшую величину зоны нечувствительности и зоны реакции на совпадение фронтов входных сигналов.

Таким образом, обнаружено, что в некоторых случаях применения ПЛФ и ВБФ при одновременном формировании логических переменных образуется особый результат, отсутствующий в случае совпадения (конъюнкции) переменных без совпадения во времени их передних фронтов. Однако специальный указатель или оператор, позволяющий отобразить данную особенность в аналитической записи, пока отсутствует, несмотря на необходимость в нем. Поэтому логические зависимости для выходов исследованной схемы будут записаны аналогично программной реализации.

2.5 Реализация последовательностных элементов

совпадения на универсальной аппаратной базе

Программным путем логическая часть устройства автоматики может реализовываться на базе микропроцессорных средств [1] или на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Последние являются удобной в освоении и применении элементной базой для синтеза универсальных логических устройств с произвольным алгоритмом функционирования [69] и, на наш взгляд, в большей мере отвечают требованиям ресурсосбережения.

Одним из преимуществ ПЛИС в сравнении с микропроцессорами является исключение избыточности аппаратной и программной части. Микропроцессорное устройство непременно должно содержать аппаратные средства для обслуживания собственного функционирования (память, шины, устройства управления и т. д.). То же относится к программному обеспечению, т. к. помимо полезной программы, определяющей алгоритм функционирования устройства противоаварийной автоматики, обязательно имеется программное обеспечение, необходимое лишь самому микропроцессорному устройству. У программируемых логических ИМС отсутствует программная избыточность, а аппаратная может быть сведена к минимуму.

Сравнивая с процедурой создания устройств на отдельных ИМС, заметим, что разработчик систем на ПЛИС не ограничен возможностями имеющейся в его распоряжении элементной базы: для большинства современных ПЛИС имеются библиотеки, содержащие всё необходимое, от простейших логических элементов до микропроцессоров. Кроме того, пользователь без посторонней помощи может многократно корректировать схему, не внося изменений в печатный монтаж, а исключение значительного числа деталей, размещенных на печатной плате, позволяет существенно уменьшить габариты аппаратуры по сравнению с устройствами на традиционных БИС.

Появление программируемой логики сверхвысокой плотности, развитие средств автоматизации проектирования и рост уровня сложности создаваемых цифровых систем ведут к существенным изменениям в методологии проектирования. В основе современной методологии лежат два принципа:

- текстовое описание, т. е. применение высокоуровневых языковых конструкций (языков описания аппаратуры – HDL) для задания алгоритма работы создаваемого устройства;

- автоматический синтез, т. е. процедура формального перевода (компиляции) текстового описания в схемное описание на заданном элементном базисе, выполняемая системой автоматизированного проектирования (САПР).

Воспользуемся изделиями фирмы Altera, среди которых на сегодняшний день наиболее доступными являются ПЛИС семейства MAX 7000, выполненные по технологии ПЗУ с электрическим стиранием (EEPROM). Выпускаются ПЛИС семейства MAX 7000, MAX 7000S, MAX 7000A, MAX 7000B, MAX 7000E. ПЛИС MAX 7000S является дальнейшим развитием 5-вольтового семейства MAX 7000, допускающего возможность программирования в системе (непосредственно на плате устройства). Элементы ввода/вывода позволяют работать в системах с уровнями сигнала 5 и 3,3 В. ПЛИС рассматриваемого семейства имеют возможность аппаратной эмуляции выводов с открытым коллектором и удовлетворяют требованиям стандарта PCI.

Синтез устройств на ПЛИС фирмы Altera может выполняться с использованием системы автоматизированного проектирования MAX+plus II. Последовательность разработки проекта включает описание устройства, компиляцию, программирование микросхемы (прошивку). При наличии описания возможны симуляция (моделирование в реальном или модельном времени) работы устройства, проверка правильности функционирования логики.

Описание проекта, т. е. задание программы работы устройства автоматики, может производиться тремя путями в зависимости от выбора и квалификации проектировщика. Первый способ – программирование на языке символов в графическом редакторе Graphic Editor, где рисуется принципиальная схема цифрового устройства с помощью условных графических обозначений (УГО). Второй путь – запись программы в текстовом редакторе Text Editor на языках описания [70] цифровых устройств (AlteraHDL, VerilogHDL, VHDL). Наконец, возможно задание элементов или схемы в целом в виде временной диаграммы, созданной в сигнальном редакторе Waveform Editor. Это позволяет формировать как структурное описание модуля в виде совокупности взаимосвязанных компонентов, так и поведенческое описание, когда задается алгоритм работы устройства.

Отметим сразу привлекательность описания устройства тактограммами или временными диаграммами, что, во-первых, не предъявляет каких-либо требований к уровню подготовки проектировщика в области схемотехники или программирования, а во-вторых, является естественным способом пояснения принципов работы устройств для персонала служб релейной защиты и автоматики. Однако временные диаграммы не применяются как основное средство описания устройства РЗ и ПА, обычно они служат лишь дополнением к графической схеме. Кроме того, специалисты по ПЛИС рекомендуют использовать этот способ для описания устройств и блоков с четко заданными зависимостями выходных сигналов от входных, т. е. комбинационных устройств, поскольку, по сути, при проектировании устройств на ПЛИС временные диаграммы являются эквивалентом таблиц истинности.

Графический метод основан на использовании условных графических обозначений элементов (символов) и отличается высокой наглядностью. Он не требует от проектировщика знаний в области программирования, но подразумевает знакомство с основами схемотехники интегральных устройств. При наличии готового структурного описания устройства достаточно повторить его в графическом редакторе, при этом могут использоваться как имеющиеся элементы из собственной библиотеки примитивов САПР или родственных систем проектирования (OrCad, P-CAD), так и пользовательские элементы, созданные разработчиком. Недостатком метода является неэффективное использование кристалла в случаях, когда готовый примитив имеет больше функциональных возможностей, чем это необходимо, а также снижение быстродействия из-за увеличения пути прохождения сигнала.

Описание на языках высокого уровня HDL (Hardware Description Language), в частности, VHDL и Verilog HDL, требует хорошего владения средствами программирования. Это аппаратно независимые языки, в силу чего проекты, созданные с их помощью, могут быть перенесены с ПЛИС одной фирмы на микросхемы других фирм. С использованием языков программирования создаются элементы со свойствами и алгоритмами функционирования, отсутствующими в стандартных библиотеках. В САПР MAX+plus II может использоваться AHDL (Altera HDL) – аппаратно зависимый язык, созданный специально для ПЛИС фирмы Altera. Ориентация языка на конкретные ПЛИС позволяют учесть и полностью использовать все преимущества и особенности архитектуры Altera. В то же время он проще упомянутых выше языков и быстрее осваивается.

Выбор способа описания проекта оказывает существенное влияние на качество конечного результата и время проектирования. Комбинированный подход – создание блоков путем программирования и сборка устройства в графическом редакторе, сочетает наглядность графического метода и эффективность языков программирования.

Используя графический редактор и библиотеку примитивов max2lib\prim, создадим графическое описание элемента, реализующего ПЛФ (файл seq.gdf), в соответствии со структурной схемой последовательностного элемента совпадения (рисунок 21) из символов типовых элементов 2И-НЕ (nand2) и 3И (and3) с входами (input) x1, x2 и выходами (output) y1, y2 (рисунок 26).

Рисунок 26 – Примитив Seq

Выполнив компиляцию проекта, моделируем поведение элемента при заданных сигнальных последовательностях на входе с помощью сигнального редактора (рисунок 27).

Рисунок 27 – Симуляция поведения элемента Seq

Созданный элемент правильно фиксирует опережение переменной x1 с уровнем логической 1 относительно переменной x2 (момент времени 3 с), опережение переменной x2 с уровнем логической 1 относительно переменной x1 (момент времени 5,5 с). Тем не менее, нельзя считать, что функционирование элемента полностью соответствует алгоритму , поскольку имеется неопределенность значения выходной переменной при 7,5 с (зона с особой реакцией на синхронное появление входных воздействий). Переменные x1 и x2 в указанный момент времени принимают значение 1 одновременно, опережение какой-либо из них относительно другой отсутствует и результат должен быть равен нулю по обоим выходам. Однако сигнал появляется на выходе y1 с задержкой 5 нс, равной времени прохождения сигнала через логический элемент.

Реакция, полученная в САПР, на самом деле зависит от реальной конфигурации схемы при вписывании в ПЛИС и собственных задержек элементов. Несмотря на идентичность обоих каналов схемы, фактически реализованная компилятором схема соответствует приводимой ниже несимметричной программной реализации на языке AHDL (файл seq2.tdf).

subdesign seq2

(

x1, x2 : input = GND;

y1, y2 : output;

)

variable

q: node;

begin

y2 = x1 & x2 & q;

y1 = x1 & x2 & !q;

 q = !x1 # x2 & q;

end;

Программа, записанная в текстовом редакторе САПР, содержит обозначения логических операций ! (НЕ), # (ИЛИ), & (И), входам x1 и x2 назначены по умолчанию уровни логического нуля GND (шина с уровнем логической единицы обозначается VCC). Вспомогательная переменная q соответствует отдельному узлу (node), обычно узлы в схемах на ПЛИС используются для хранения промежуточных данных или организации точек контроля. Поскольку логические выражения между словами BEGIN и END обрабатываются одновременно, то порядок их записи в файле не важен.

По результатам моделирования представленные графическая схема и описание на языке программирования полностью эквивалентны. Для того, чтобы заданную программно (или временными диаграммами) схему можно было использовать в составе других устройств автоматики, необходимо создать для нее УГО (символ), что выполняется командой File/Create Default Symbol.

Наиболее общая математическая модель цифрового устройства или цифровой системы соответствует конечному автомату, поэтому следует рассмотреть и подобную реализацию ПЛФ.

В языке AHDL конечный автомат (finite state machine) – это переменная, для задания которой должны быть указаны: имя переменной, число разрядов памяти и символическое имя каждого из разрядов (OF BITS), символические имена состояний автомата и их коды (WITH STATES). При минимальном описании достаточно определить имя автомата и имена его состояний, в этом случае компилятор автоматически выбирает разрядность блока памяти и коды состояний. Конечный автомат может иметь три управляющих входа. Это CLK – вход тактового сигнала (переход по фронту), RESET – вход асинхронного сброса автомата по переходу к логической единице, ENA – вход разрешения работы автомата (активный уровень – 1). Из них обязательным является лишь вход CLK, на остальных неиспользуемых входах автоматически генерируется сигнал с уровнем, обеспечивающим нормальную работу автомата.

В зависимости от способа формирования выходных сигналов возможны две модели конечных автоматов. Это автомат Мура, у которого выходные сигналы определяются только текущим состоянием автомата, и автомат Мили, у которого выходные сигналы зависят и от текущего состояния автомата, и от набора входных переменных. Сформируем описание элемента Seqand, реализующего ПЛФ в виде автомата Мура со следующими состояниями: zero – исходное состояние; mode 1 – фиксация появления первого входного сигнала; mode 2 – фиксация появления второго входного сигнала; one – рабочий сигнал на первом выходе; two – рабочий сигнал на втором выходе.

subdesign seqand

% автомат Мура - выход зависит только от состояний %

(

x1, x2, clk :input;

y1, y2  :output;

)

variable

fsm: machine with states

 (zero, mode1, one, mode2, two);

begin

fsm.clk=clk;

table

-- текущее  вход вход   выход  выход следующее

-- состояние 1 2  1  2  состояние

fsm,  x1, x2 => y1,  y2,  fsm;

 zero,  0, 0 => 0,  0,  zero;

zero,  1, 0 => 0,  0,  mode1;

zero,  0, 1 => 0,  0,  mode2;

zero,  1, 1 => 0,  0,  zero;

mode1, 0, 0 => 0,  0,  zero;

mode1, 1, 0 => 0,  0,  mode1;

mode1, 1, 1 => 0,  0,  one;

one,  1, 1 => 1,  0,  one;

one,  1, 0 => 1,  0,  mode1;

one,  0, 1 => 1,  0,  mode2;

one,  0, 0 => 1,  0,  zero;

mode2, 0, 0 => 0,  0,  zero;

mode2, 0, 1 => 0,  0,  mode2;

mode2, 1, 1 => 0,  0,  two;

two,  1, 1 => 0,  1,  two;

two,  1, 0 => 0,  1,  mode1;

two,  0, 1 => 0,  1,  mode2;

two,  0, 0 => 0,  1,  zero;

end table;

end;

В приводимом описании заданы входы x1, x2, clk и выходы y1,y2, переменная, являющаяся символическим именем конечного автомата fsm : machine with states, и пять ее возможных состояний (zero, mode1, one, mode2, two), выполнена подача тактовых импульсов на соответствующий вход конечного автомата fsm.clk = clk. После ключевого слова table расписана таблица истинности (состояний) с заголовком в виде двух строк комментария. В первой исполняемой строке таблицы через запятую перечисляются аргументы и имена функций, разделенные символом =>. Ниже в таком же формате задаются значения аргументов и функций для каждого состояния.

Обратим внимание на то, что в построенной таблице состояний учтена возможность одновременного появления единичных сигналов на обоих входах элемента в исходном состоянии (zero) и запрещено формирование выходных сигналов в этом случае. Как следствие, результат моделирования работы элемента (рисунок 28) к моменту 7,5 с отличается от реакции при графическом описании проекта, когда в аналогичной ситуации появлялся сигнал на первом выходе (y1 = 1).

Рисунок 28 – Симуляция работы модели автомата Мура

Здесь же представим результаты создания последовательностной схемы совпадения без зоны особой реакции на синфазное формирование входных переменных с использованием символьного метода описания проекта в САПР MAX+plus II. По поведению она аналогична автомату Мура, однако является асинхронным устройством.

Последовательностная схема совпадения И (рисунок 29) содержит первый триггер 1 и два конечных элемента И 2 и 3, выходы которых служат выходами y1 и y2 устройства, а входы соединены с выходами триггера 1 и входами для переменных x1, x2. Дополнительно в схеме имеется второй триггер 4, выход которого соединен с входами элементов И, вход для установки связан с входами для переменных через элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ 5, а вход для сброса связан с входами для переменных через элемент ИЛИ 6.

Рисунок 29 – Последовательностная схема без зоны особой реакции

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии обоих входных сигналов (x1 = 0, x2 = 0) на выходе элемента ИЛИ присутствует сигнал уровня логического 0, тогда как на выходе элемента РАВНОЗНАЧНОСТЬ имеется сигнал уровня 1, благодаря чему второй триггер установлен в исходное состояние и сигналом 0 по выходу Q запрещает действие конечных элементов И (рисунок 30). В случае формирования 1 на любом (одном) из входов для переменных оба триггера переключаются, однако устройство все равно не действует, поскольку на входах конечных элементов И отсутствует разрешающий сигнал от другой переменной.

Рисунок 30 – Тактограмма работы схемы

Пусть при совпадении единичных уровней сигнал x1 = 1 опережает сигнал x2 = 1, тогда, поскольку переход происходил в последовательности 00-10-11, элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ сигналом нулевого уровня при входном наборе 10 перевел второй триггер в состояние выхода Q = 1, разрешив работу конечных элементов И. На всех входах элемента И 2 имеется 1, поэтому им формируется сигнал y1 = 1, на один вход элемента И 3 поступает 0 с инверсного выхода первого триггера, поэтому y2 = 0. Это состояние сохраняется до формирования на входах набора 00. Аналогично схема функционирует при опережающем появлении 1 на входе x2 с той лишь разницей, что формируется сигнал y2 = 1 и сохраняется сигнал y1 = 0.

При одновременном формировании сигнала 1 на обоих входах схемы, т. е. переходе 00-11, элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ не переключается, сохраняя уровень 1 на своем выходе. Следовательно, второй триггер продолжает сохранять состояние информационного выхода Q = 0, блокируя действие конечных элементов И. Поэтому, несмотря на совпадение единичных уровней входных переменных, на выходах схемы сохраняется состояние y1 = 0, y2 = 0.

Таким образом, при точном совпадении моментов образования входных переменных, т. е. отсутствии опережения во времени какого-либо из воздействий относительно второго, сигнал ни на одном из выходов устройства не формируется. Следовательно, по сравнению с известными устройствами предложенная последовательностная схема совпадения имеет более высокую надежность функционирования. Для контроля совпадения нулевых значений входных переменных схема строится аналогично, причем, по закону двойственности, все элементы (операции) рассмотренного устройства заменяются на противоположные: И на ИЛИ и наоборот, РАВНОЗНАЧНОСТЬ на ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Предпочтительную форму реализации ПЛФ в среде MAX+plus II выбирает разработчик с учетом допустимости входных комбинаций переменных для проектируемого устройства автоматики. Несомненно, описание конечным автоматом является более полным, хотя и более сложным. К недостаткам такого описания можно отнести обязательное наличие тактового сигнала, т. е. синхронное исполнение автомата, что не будет существенным, если проектируемое устройство содержит любые элементы задержки сигнала, также нуждающиеся в тактовых импульсах. Кроме того, формирование выходного сигнала здесь смещено во времени к моменту появления фронта тактового импульса, тогда как при описаниях моделью асинхронного автомата задержка срабатывания элемента, зависящая от внешних факторов, практически отсутствовала. Наконец, при описании конечным автоматом менее эффективно используются логические вентили микросхемы.

В любом случае, для аппаратного или программного описания ПЛЭ должен быть создан его символ, который совокупно с прочими файлами проекта хранится в рабочей папке пользователя и переносится при разработке очередного устройства РЗ и ПА в папку нового проекта.


3 Выбор информационных признаков и алгоритма

функционирования противоаварийной автоматики

3.1 Анализ алгоритмов функционирования устройств

автоматики на подстанциях с электродвигателями

Известно, что точность выбора пусковых параметров во многих случаях определяет эффективность устройства автоматики и простоту схемы, что в совокупности способствует ресурсосбережению. Проведем вначале сопоставительный анализ основных контролируемых признаков аварийной ситуации и логической структуры существующих устройств [71].

Наиболее общим информационным признаком, используемым для выявления факта потери питания от основного источника, является отсутствие напряжения на секции. Данный признак служит основой традиционных средств АВР; в ЗПП он не используется, так как эта автоматика всегда строится на признаках, характерных для режима выбега ЭД, в АПВ же единственным пусковым признаком является отключение рабочего ввода не по команде оперативного персонала. Задержка действия пускового органа АВР предотвращает излишнюю работу автоматики в режимах, несущих ложную информацию, например, при кратковременных КЗ в питающей сети, отключаемых собственной быстродействующей защитой поврежденного присоединения и не ведущих к потере питания. Поскольку перевод нагрузки на резервный источник питания при его неисправности бесполезен или вреден, следует считать обязательным для органов АВР другой признак необходимости действия – нормальное качество резервного напряжения. Используя математический аппарат ТРУ, можно записать условие действия АВР на отключение выключателя ввода первого Q1 и второго Q2 питающих направлений в виде функции ЗАПРЕТ

, .

Преобразуем полученные выражения, сформировав общую для обоих направлений часть

,

,

в результате получим алгоритм функционирования устройства АВР двустороннего действия с пуском по уровню напряжения для подстанций с неявным резервом. Общая для обоих направлений часть А включает симметричную логическую функцию НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ , посредством которой и осуществляется контроль качества резервного напряжения

  (11)

Напомним, что для дискретных пусковых органов на безинерционных логических элементах выражение должно дополняться элементами задержки на появление сигнала t3 и на исчезновение сигнала t4

.   (12)

Обозначения соответствуют (8-9). В выражения (11-12) может быть конъюнктивно введен блокирующий сигнал xm, предназначенный для предотвращения действия АВР в режиме неисправности трансформатора напряжения (ТН) и образуемый воздействием от другого датчика напряжения (ТН или ТСН), органа контроля трех фаз по схеме ИЛИ, блок-контакта автомата вторичных цепей ТН, устройств контроля несимметрии во вторичных цепях типа РНФ-1М и т.д.

Порог распознавания по рабочему напряжению обычно задается в пределах (0,25-0,4)Uном и должен быть возможно ближе к нулю, поскольку характеризует не наличие напряжения, а его отсутствие. Задержка на срабатывание t1 реализуется, как правило, общим элементом времени, хотя у АВР двустороннего действия уставки по времени выбираются самостоятельно для работы в каждом направлении и могут отличаться друг от друга.

Для потребителей с мощными электродвигателями пусковые органы минимального напряжения оказываются неэффективными вследствие появления во временном интервале распознавания аварийной ситуации составляющей tож, характеризующей неуправляемое время изменения контролируемого параметра от номинального значения до величины уставки. Для некоторых высокоинерционных СД время tож ожидания снижения остаточного напряжения в процессе выбега составляет 10-20 с, для мощных АД также оказывается заметной величиной – 5-6 с.

Ранее указывалось, что добавочному увеличению задержки срабатывания выявительных органов даже при отсутствии СД способствуют подключенные к секции конденсаторные батареи. Как установлено в ходе экспериментов, на время снижения остаточного напряжения выбегающих ЭД влияет также емкость подключенной кабельной сети (см. рисунок 1). Так, приключенная к секции питающая линия с кабелем ААШБ-6, 4х(3х185), 660 м увеличила длительность затухания остаточного напряжения группы из СД 320 кВт и АД 1000 кВт на 2 с (кривая 3) по сравнению с обычным выбегом этих двигателей (кривая 2).

Эффективность действия ПА в подобном случае обеспечивается дополнительными пусковыми органами, использующими информационные признаки, характерные только для процесса выбега электродвигателей на секции. При этом, независимо от наличия специальных пусковых органов и обеспеченности самозапуска, на подстанции должна быть предусмотрена защита минимального напряжения, отключающая двигатели при глубоких и длительных провалах напряжения [18].

Систематизируем существующие на сегодня информативные признаки аварийного состояния объекта с электродвигателями, области их применения и алгоритмы функционирования реализующих устройств.

Из алгоритма (11) следует, что все информационные признаки можно разбить на две группы: признаки индивидуального указания дефектного источника питания и признаки общего требования на замещение питающих источников (неравнозначности одноименных параметров рабочего и резервного напряжений). Дальнейший анализ позволяет сделать заключение, что пусковой орган АВР непременно должен основываться на совокупности индивидуального и общего признаков, тогда как для организации ЗПП достаточен контроль индивидуальных признаков. Использование для АВР только индивидуального признака потерявшей питание секции, как правило, не обеспечивает функциональной надежности выявления потери питания с одной стороны, и не удовлетворяет требованию контроля состояния резервного источника – с другой стороны. Признаки с общим требованием действия, включающие контроль резервного источника питания, не способны самостоятельно определить погашенную секцию.

Введем еще два определения. Комбинированным назовем признак, сочетающий индивидуальные и общие характеристики, т. е. способный как указать конкретно неисправный рабочий источник, так и осуществлять контроль состояния резервного источника. Универсальным назовем признак, по которому возможно определение потери питания как при наличии, так и при отсутствии двигательной нагрузки. Дальнейшие исследования проводим на основе предложенной классификации информационных признаков.

Для оценки эффективности выявления потери питания по направлению активной мощности на рабочем вводе рассмотрим схему подстанции с тремя электродвигателями. Предполагается, что в нормальном режиме активная мощность на рабочем вводе и каждой отходящей линии направлена к потребителю (рисунок 31, а).

а) б) в) г)

Рисунок 31 – Характер перетоков активной мощности

на подстанции с электродвигателями

При КЗ на питающей линии переток во всех контролируемых точках направлен противоположно нормальному режиму (рисунок 31, б), при разрыве связи с питающим источником переток активной мощности на вводе отсутствует, а выбегающие двигатели генераторной группы ЭД1 подпитывают остальную нагрузку ЭД2 (рисунок 31, в). Режиму КЗ на отходящем от шин подстанции присоединении (фидере), питающем нагрузку, присуще направление токов всех остальных присоединений, связанных с генерирующими источниками, от источника к шинам подстанции (рисунок 31, г).

Обозначив направление активной мощности от шин подстанции в линию символом «+», противоположное направление символом «-», а отсутствие перетока активной мощности по линии – символом «0», получим следующую совокупность наборов входных переменных выявительного органа (таблица 10).

Таблица 10

Состояние

Ввод

ЭД1

ЭД2

ЭД3

Фидер

Нормальный режим

-

+

+

+

+

КЗ на питающей линии

+

-

-

-

0

Потеря питания

0

-

+

+

0

КЗ на отходящей линии

-

-

-

-

+

Переходя от трехзначной логики к двузначной, поставим в соответствие состояниям «+» и «0» одно и то же значение входной переменной, описывающей направление активной мощности на вводе, например, 1, а оставшимся состояниям значение 0. Предварительно можно утверждать, что режимы потери питания являются различимыми, так как лишь в их строках колонка «Ввод» содержит логическую единицу.

Алгоритм выявления потери питания в таком случае прост

,

в нем проверяется лишь отсутствие перетока активной мощности к потребителю  в течение заданного времени t.

Однако дополнительный анализ говорит о недостаточной достоверности данного признака аварийного режима, поскольку таблица включает не все возможные состояния объекта. Между тем, для некоторых отсутствующих состояний характерно значение основной переменной p, совпадающее с режимами потери питания. Так, переток активной мощности к питающему источнику возможен при асинхронном ходе синхронного, особенно перевозбужденного, двигателя, при технологических процессах с резкопеременной нагрузкой, несинхронном АПВ с большим фазовым углом включения участка сети, при подаче питания на возбужденную синхронную машину [38, 72-73]. При асинхронном ходе в энергосистеме двигатели узла комплексной нагрузки, расположенного вблизи центра качаний, могут периодически затормаживаться и разгоняться, генерируя в момент перехода значения δ = 0 активную мощность в энергосистему [27].

Направление активной мощности на вводе изменяется также в режимах трехфазного КЗ за кабельной отпайкой от питающей линии без потери связи с источником [74], неисправности ТН, сопровождающейся сдвигом вторичных напряжений по фазе на ±120º относительно первоначального положения [75]. Контроль данного признака допускает отказ или задержку срабатывания (каскадное действие) АВР при потере питания нескольких подстанций с двигательной нагрузкой вследствие обмена мощностью между ними [26, 29, 76]. Таким образом, на полном наборе состояний объекта с двигателями режим потери питания не относится к различимым по рассматриваемому признаку и требует его сочетания с другими признаками.

Вариантом указанного признака является контроль сброса активной мощности по питающему вводу [42]. При той же форме алгоритма иным является содержание переменной  – логическое значение 1 формируется при условии, что разница между значением активной мощности на вводе в доаварийном режиме и в момент аварии превысит установленный порог. Здесь возможно ложное указание на потерю питания даже в таком простом случае, как оперативное отключение части нагрузки на секции, а также отказ в случае подпитки КЗ на питающей линии. Проблемной является и отстройка от сброса активной мощности при отключении значительного объема статической нагрузки с одновременным обеспечением чувствительности в режиме питания от секции одиночного ЭД малой мощности.

Оба признака относятся к группе индивидуальных и не осуществляют контроль состояния резервного источника.

Наиболее ненадежным в данной группе признаков следует признать сравнение фазы тока двигателя одной секции с фазой напряжения другой секции [77], когда суммируются возможные неисправности обоих источников питания. Как следствие, для повышения функциональной надежности рассматриваемого признака его предлагается использовать в совокупности с сигналом блокировки, формируемым, например, реле напряжения, комплектным устройством блокировки от качаний, реле времени [78-79]. Заметим, что, хотя здесь и выполняется сравнение параметра одной секции с параметром другой секции, однако нарушается требование формирования логической функции НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ сравнением однородных признаков, например, напряжений.

Широко используется для выявления факта потери питания на объектах с электродвигателями индивидуальный признак снижения уровня частоты напряжения секции до заданного значения [19, 32]

.

Замедление срабатывания пускового органа с контролем частоты определяется установленным порогом распознавания fср (рисунок 2) и может быть найдено из выражения (3). В качестве уставки fср рекомендуют выбирать значение частоты, меньше нижней уставки устройств АЧР, что позволяет несколько повысить надежность разграничения режимов потери питания и общесистемного понижения частоты при дефиците активной мощности, а при совместном использовании с каким-либо блокирующим признаком – больше уставок АЧР, что позволяет повысить быстродействие автоматики.

Полагают, что для локального выявления потери питания наиболее пригодны устройства, реагирующие на снижение частоты, с блокировками, предотвращающими их работу при общих понижениях частоты в системе, например, по уровню напряжения на секции (для организации ЗПП)

, ,

или по разности напряжений источников, что соответствует общему алгоритму пусковых органов АВР (11)

,

.

Однако подобная комбинация признаков приводит к ухудшению быстродействия пускового органа, так как напряжение секции, в зависимости от параметров двигателей и их доаварийного режима, в момент потери питания и в процессе выбега за счет периодического изменения перетоков мощностей между двигателями, может достигать 1,3Uном даже при отсутствии форсировки возбуждения [80-81] и длительно снижаться.

Контроль уровня частоты предлагается также совмещать с замером уровня тока на питающем вводе [19]

, .

Очевидным для токового признака является неразличимость режимов малой загрузки секции (когда ток нагрузки меньше порога распознавания Iср) и режима потери питания.

Относительно более эффективной, однако характеризующейся уже отмеченными недостатками, является комбинация признаков: уровень частоты секции – направление активной мощности на вводе

, .

Добавим, что индикация режима потери питания по этому сочетанию признаков недостоверна в энергосистемах малой мощности, когда после сброса нагрузки приводами мощных прокатных станов на заметный промежуток времени образуется переток активной мощности в питающую сеть при пониженном уровне частоты [73]. Реализующее этот набор признаков устройство известно, как защита от потери питания синхронной нагрузки (ЗПП или ЗВП), оно выполняется с двумя реле мощности и одним реле частоты на секцию, иногда используется в качестве ПО АВР [5].

Существенно большую надежность обеспечивает одновременный контроль частот рабочего f1 и резервного f2 источников, что соответствует построению алгоритма функционирования ПО АВР на основе логической функции НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ аналогично (11)

.     (13)

Симметричная функция  реализуется двумя независимыми частотными реле по уточненному алгоритму функционирования

, .

Связывание задержки на срабатывание с одной из переменных позволяет реагировать на последовательность достижения уставок по частоте контролируемых источников: если сигнал  появляется ранее сигнала , констатируется общее снижение частоты в системе и действие АВР запрещается.

Усовершенствованный вариант схемы базируется на четырех частотных органах, которые имеют разные уставки для предотвращения ложного действия устройства при стабилизации частоты в энергосистеме на грани срабатывания частотного органа. Алгоритм функционирования такого устройства сложнее, так как его входной алфавит содержит четыре независимых частотных переменных

.    (14)

Сигналы  формирует пусковое реле частоты первой (второй) секции, а сигналы  – блокирующее реле частоты первой (второй) секции с более высокой уставкой, эти реле при снижении частоты в энергосистеме срабатывают первыми и запрещают действие устройства АВР, разрешая работу АЧР. Здесь мы видим пример повышения эффективности ПО путем увеличения числа используемых независимых однородных переменных (информационных признаков), а также косвенного контроля последовательности образования заданных значений входных переменных.

Выполнение зависимости (13) на специальном органе разности частот позволяет не выравнивать с большой точностью уставки частотных органов разных секций, либо отказаться от второго комплекта реле частоты с более высокой уставкой [82]. Индивидуальный признак xj для этого случая может формироваться как отдельными реле частоты на каждой секции, так и реле тока на питающем вводе, реле направления активной мощности с уже отмеченными недостатками. В [83] введена взаимоблокировка контактов реле мощности разных питающих вводов, однако это усложнение логической структуры может привести к отказу действия автоматики при холостом ходе резервной секции, т. е. в наиболее благоприятном для самозапуска нагрузки случае. Для устройства автоматики в микропроцессорном исполнении предлагается совмещать групповой признак разности частот напряжений источников с контролем того факта, что уровень частоты резервного напряжения выше заданного порога. При определенных соотношениях уставок этот принцип ведет к полному погашению подстанции по обоим вводам, либо отключению рабочего ввода.

Пуск АВР или ЗПП по скорости снижения частоты [4, 84] привлекателен тем, что не требует для выявления потери питания контроля других информационных признаков. Условие действия органа Аi на отключение выключателя i-ввода равно

, ,

где  – сигнал о снижении частоты напряжения первой (второй) секции до первой уставки по частоте,

– функция ограничения сигнала по длительности,

 – сигнал о снижении частоты напряжения первой (второй) секции до второй уставки по частоте.

Если в течение заданного интервала времени после перехода частотой напряжения секции первой уставки по частоте не будет достигнута вторая, более низкая, уставка по частоте, значит скорость снижения частоты недостаточна и имеет место общесистемное понижение частоты, работа пускового органа блокируется. Отметим, что здесь также осуществляется контроль последовательности формирования логических переменных.

Ясно выраженный порог распознавания для этого признака не существует, поскольку скорость снижения частоты напряжения мощных высокоскоростных агрегатов потребителей сопоставима со скоростью снижения частоты при локальных дефицитах активной мощности в энергосистеме [82]. При отсутствии двигателей на секции признак не формируется, контроль состояния резервного источника питания он не осуществляет.

Предлагается строить быстродействующие выявительные органы на принципе фиксации перехода N из M (где M > 1) двигателей в режим генератора [85], подпитывающего остальную нагрузку (рисунок 31, в). Из таблицы 10 следует, что при потере питания без КЗ на питающей линии токи одноименных фаз по крайней мере двух электродвигателей находятся в противофазе, тогда как ток на питающем вводе (переменная xj) отсутствует. В остальных состояниях, указанных в таблице, токи одноименных фаз ЭД должны совпадать.

Алгоритм функционирования подобного устройства соответствует конъюнкции переменной xj и симметричной логической функции n переменных, отражающих направление тока в статорных обмотках двигателей

.

Укажем на недостатки данного информационного признака. При подпитке КЗ на питающей линии направления активной мощности у всех двигателей одинаковы и признак отказывает в распознавании аварии. Теоретически возможен случай, когда контролируемые электродвигатели и их нагрузки идентичны (электрически и механически) или, по крайней мере, очень близки, тогда их выбег будет происходить с одинаковой постоянной времени, обменного тока в цепях статора не будет [36]. Контроль данного признака допускает отказ или задержку срабатывания (каскадное действие) ПА при потере питания нескольких подстанций с двигательной нагрузкой вследствие обмена мощностью между ними – если все двигатели данной секции образуют двигательную или генераторную группу, или даже просто если при этом ток на вводе не падает до нуля. В силу изложенного способ допускает задержку распознавания или отказ действия автоматики, кроме того, он принципиально неработоспособен при количестве двигателей М < 2. Признак не осуществляет контроль состояния резервного источника питания, поэтому может быть рекомендован для построения ЗПП.

Наиболее характеризующим условия сохранения синхронной динамической устойчивости и включения СД на резервное напряжение представляется информационный признак «разность фаз резервируемых напряжений» (угол δ). Его использованию соответствует алгоритм функционирования ПО АВР, аналогично (13) содержащий логическую функцию НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, отражающую неравенство фазовых характеристик  напряжений рабочего и резервного источников

.   (15)

В качестве индивидуального признака индикации погашенной секции xj в этом случае используют отсутствие тока на рабочем вводе, изменение направления активной мощности по вводу, снижение уровня напряжения, скорость изменения частоты [71, 78, 86-87]. Самостоятельно признак не применяется, так как не способен указать погашенную секцию.

Выполненные производственные эксперименты показали, что быстродействие устройств с контролем частоты напряжения (уставка 47,5 Гц) и разности фаз (уставка 180°) сопоставимо.

Таким образом, все рассмотренные признаки можно разбить на два множества: признаки, не осуществляющие контроль уровня аналогичного параметра на резервном источнике, и признаки, выполняющие это. Признаки первой группы могут использоваться только в ЗВП (АПВ), так как они не обеспечивают выбор (прогноз) условий включения выбегающей нагрузки на резервное напряжение. Для построения ПО АВР обязательно должны применяться признаки второй группы, базирующиеся на логической функции НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ и, в силу этого, контролирующие параметры резервного напряжения. Поскольку по своей структуре они не способны указать погашенную секцию, то должны сочетаться с некоторым признаком xj указания неисправного источника.

3.2 Логический синтез информационных признаков

для построения устройств автоматики подстанций

Перейдем к поиску признаков (комбинаций признаков) перерыва электроснабжения на подстанции с двигателями, для формирования которых требуется минимум датчиков и разнохарактерных измерительных органов. Эти признаки должны сочетать индивидуальные и групповые характеристики и, следовательно, образовывать группу комбинированных признаков.

Из рассмотренных наиболее характеризующим условия сохранения синхронной динамической устойчивости и включения СД на резервное напряжение является информационный признак «разность фаз резервируемых напряжений» (угол δ). Эффективность его использования снижается тем, что для индикации погашенной секции совместно с ним используют независимые признаки, нуждающиеся в дополнительных датчиках и операциях преобразования первичных параметров в логические переменные – отсутствие тока на рабочем вводе, изменение направления активной мощности по вводу, скорость изменения частоты и т. п.

Выполненные исследования позволили сформировать новое направление в технике построения пусковых органов ПА, основанное на использовании разработанных последовательностных логических функций. В качестве первого признака, указывающего на обесточенную секцию с выбегающими электродвигателями, можно использовать порядок чередования однополярных полуволн одноименных напряжений рабочего и резервного источника в момент достижения заданного значения угла сдвига фаз напряжений (обозначим этот признак x21).

Физически предлагается в момент достижения заданного значения угла сдвига фаз между рабочим и резервным (контрольным) напряжениями, лежащего в диапазоне 0-180, измерять знак угла и фиксировать исчезновение напряжения, если вектор питающего напряжения отстает от вектора контрольного напряжения [88]. Контроль знака разности фаз не требует отдельного датчика первичных параметров и, как правило, неразрывно связан с измерением ее величины.

Действительно, при исчезновении напряжения питания выбегающие двигатели тормозятся, частота генерируемого ими напряжения снижается относительно частоты резервного напряжения, поэтому в начальный момент изменения разности фаз (до достижения угла 180º) вектор напряжения выбегающих двигателей U1 отстает от вектора контрольного напряжения U2 (рисунок 32, б).

Вблизи значения = 0º находится зона нечувствительности (показано штриховой линией), граница которой ср определяет уставку (порог распознавания) по величине фазового угла. С момента достижения 180º порядок следования векторов напряжений изменяется на противоположный (рисунок 32, в). Наконец, после прохождения величины -ср снова наступает (рисунок 32, а) совпадение сравниваемых напряжений по фазе (  0º), после чего описанные явления повторяются. Идентичный процесс наблюдается при выбеге двигательной нагрузки второй секции с той лишь разницей, что отстающим в диапазоне изменения угла 0-180 оказывается вектор напряжения U2.

a) б) в)

Рисунок 32 – Порядок следования векторов напряжений

в процессе выбега электродвигателей первой секции

Рассмотрим логическую суть подхода [89]. Сопоставим разнополярным полуволнам напряжений одноименных фаз рабочего U1 и резервного U2 источников логические переменные x1 и x2, формируемые на уровне Uср, т. е. в исходном режиме полуволны напряжений сдвинуты на 180º (рисунок 33, а). Тогда конъюнкция переменных x1x2 в нормальном режиме последовательно дает значения 00, 10, 00, 01, 00 или 00, 01, 00, 10, 00 (в зависимости от выбора момента начала отсчета).

а) б) в) г)

Рисунок 33 – Формирование наборов входных переменных

В процессе выбега двигателей первой секции вследствие торможения их напряжение начинает отставать по фазе от напряжения резервного источника и до перехода разностью фаз напряжений значения 180 формируется регулярная периодическая последовательность 00, 10, 11, 01, 00 наборов входных переменных x1x2 (рисунок 33, б).

При выбеге нагрузки второй секции в тех же условиях, либо после прохождения величины угла δ = 180° наблюдается регулярная последовательность 00, 01, 11, 10, 00 (рисунок 33, в). Длина такта (периода последовательности) зависит от собственных характеристик электродвигателей (механической постоянной инерции), их загрузки. При отсутствии одного из напряжений, например, U1 (переменная x1 = 0, рисунок 33, г) входная последовательность упрощается: 00, 00, 00, 01, 00.

Итак, общим признаком потери питания с выбегом электродвигателей в рассматриваемом случае является появление набора x1x2 = 11. Переход в состояние 11 из состояния 10 указывает на потерю питания первой секции, переход в состояние 11 из состояния 01 – на потерю питания второй секции. В первом случае совпадение единичных значений переменных происходит при опережающем формировании x1 = 1, во втором случае опережающим является x2 = 1. Длительное отсутствие одной из переменных () указывает на неравнозначность амплитуд напряжений и позволяет индицировать потерю питания при отсутствии на секции электродвигателей.

Исследуем теперь вторую возможность, когда в исходном состоянии полуволны напряжений совпадают по фазе и амплитуде. При потере питания с выбегом электродвигателей первой секции формируются последовательности наборов 00, 01, 11, 10, 00 (до достижения 180º – рисунок 34, б) и 00, 10, 11, 01, 00 (после прохождения противофазы – рисунок 34, в). Здесь признаком выбега ЭД является не конъюнкция переменных x1x2 = 11, а возникновение сигнала неравнозначности переменных (набора 01 или 10), однако и в этом случае выявление дефектной секции может производиться способом, описанным выше. Действительно, переход к набору 11 от набора 01 говорит о неисправности первой секции, переход к набору 11 от комбинации 10 – о потере питания и выбеге электродвигателей второй секции.

Как и в первом случае, длительное соответствие одной из логических переменных нулю говорит о потере питания этой секции и отсутствии на ней выбегающих электродвигателей, генерирующих остаточное напряжение (рисунок 34, г). При этом важно, что по второму напряжению периодически формируется логическая единица, т. е. имеется напряжение на резервном источнике, поскольку устройство не должно срабатывать при отсутствии обоих напряжений (x1, x2 = 0).

При достаточном сходстве между описанными подходами имеется и существенное различие. Во втором случае допустимый разбаланс амплитуд или фаз (например, возможен минимальный рабочий уровень напряжения 0,9Uном на одном источнике и максимальный рабочий уровень 1,1Uном на другом) приводит к прохождению импульсов 01 и 10 в нормальном режиме. Следовательно, здесь обязательно требуется отстройка t3 по возможному времени существования неравнозначности входных переменных, тогда как в первом случае аналогичное отклонение амплитуд напряжений не вызывает каких-либо последствий и специальная задержка может использоваться лишь для задания уставки по углу сдвига фаз.

а) б) в) г)

Рисунок 34 – Формирование наборов при однополярных сигналах

Таким образом, для построения устройства ПА достаточно образовать входной алфавит всего из двух простых переменных x1 и x2, отображающих одно- или разнополярные полуволны одноименных напряжений рабочего и резервного источников. Выходной алфавит устройства содержит две переменные Q1 и Q2, соответствующие командам на отключение выключателя ввода первого (второго) источника. Для правильного использования рассмотренного признака потери питания следует исключить возможность его формирования в диапазоне углов от 180 до -ср. С этой целью при одновременном достижении заданного значения разности фаз и заданного порядка чередования фаз необходимо зафиксировать это состояние, чтобы предотвратить неверную реакцию на последующее изменение как величины разности фаз, так и ее знака.

Примем за основу для построения выявительных органов автоматики объектов с ЭД принцип контроля разнополярных полуволн одноименных напряжений питающих источников. Учитывая импульсный характер сигналов и периодическую смену порядка чередования фаз напряжений, необходимо запоминание выявленной последовательности на заданное время (не менее 20 мс). Отсюда следует наличие внутренних переменных: переменная, отображающая время задержки t3 на передачу сигнала о появлении набора x1x2 = 11, требуется для отстройки от импульсных помех; переменная, отображающая время задержки t4 на исчезновение сигнала x1x2 = 11, необходима для отстройки от периодического прохождения зоны нечувствительности, когда появляется набор x1x2 = 00. Переменную t1, обеспечивающую общую задержку действия устройства автоматики в (11), можно опустить, полагая достаточной, с учетом собственной инерционности двигательной нагрузки, длительность интервала времени tож от момента потери питания до превышения значением угла δ уставки, заданной порогом чувствительности реагирующих органов и задержкой t3. Переменная y1 соответствует появлению отфильтрованного и задержанного сигнала о наличии комбинации 11 после 10, переменная y2 соответствует появлению отфильтрованного и задержанного сигнала о наличии комбинации 11 после 01.

Сформулируем алгоритм распознавания потери питания потребителей с двигательной нагрузкой на основе выражения (11), используя в качестве индивидуального указателя погашенной секции xj предложенный нами признак порядка следования фаз одноименных напряжений рабочего и резервного источников. Поскольку начальное положение полуволн сравниваемых напряжений выбрано уже со сдвигом по фазе на 180º (рисунок 33, а), учтем это, заменив функцию НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ функцией ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ

Здесь высказывание , отвечающее рисунку 33, б и переходу 10-11, указывает на то, что логическая переменная x1, соответствующая напряжению U1 секции с выбегающими двигателями, при совпадении с x2 принимает значение 1 первой (появлению набора 11 предшествовал набор 10). Таким образом, в логическую зависимость включен общий признак требования на срабатывание (функция РАВНОЗНАЧНОСТЬ – набор 11) и индивидуальный признак указания на погашенную секцию (функция ОПЕРЕЖЕНИЕ – опережающее появление набора 10).

Поскольку в процессе выбега двигателей знак разности фаз периодически меняется (рисунок 33, в) и после истинности переменной y1 становится истинной переменная y2, что могло бы привести к отключению обоих питающих вводов, предусмотрим фиксацию сигнала, появившегося первым в начальный момент потери питания, по условию

,    (16)

где после минимизации на основе ПЛФ и выноса оператора

 (17)

Здесь использованы правила логических преобразований последовательностных функций:

- соревнующееся значение переменной поглощает её несоревнующееся значение

- соревнование, включающее переменную и константу 0, тождественно равно нулю

Оператор  обеспечивает запоминание появления набора x1x2 = 11 либо до момента восстановления питания нагрузки от резервного источника, либо до момента завершения выбега на секции, когда уровень остаточной ЭДС становится ниже порога чувствительности элементов, формирующих переменные x1x2. Функция РАВНОЗНАЧНОСТЬ не только выявляет наличие общего требования на действие БАВР, но и, совместно с задержкой t3, определяет уставку по углу срабатывания ср. Очевидно, что таковая может лежать в границах от от (угла отстройки от несинфазности напряжений резервируемых источников в нормальном режиме) до 180º. Срабатывание устройства происходит спустя задержку t3 от момента смены входного набора 10 (или 01) набором 11.

Для случая, когда в исходном состоянии полуволны напряжений совпадают по фазе и амплитуде, внутренние переменные формируются более сложно, с вводом дополнительного оператора задержки ,

в силу чего для реализации предпочтительнее предыдущий вариант.

Для оценки поведения фазочувствительных пусковых органов автоматики с фиксацией знака фазового угла в процессе выбега двигательной нагрузки на обесточенной секции подстанции с двумя питающими направлениями производилось компьютерное моделирование по разработанному алгоритму (рисунок 35).

В соответствии с требованиями ресурсосбережения намеренно использовалась достаточно распространенная среда для производства научных, математических расчетов и программирования MS EXCEL. Несмотря на максимально упрощенный подход, компьютерная модель позволяет, тем не менее, выявить все характерные особенности поведения ПО, необходимые для построения его логической структуры.

При исчезновении питающего напряжения электродвигатели выбегают, вследствие их торможения изменяется частота остаточного напряжения секции с ЭД, непрерывно изменяется взаимный фазовый угол между напряжениями рабочего и резервного источников, приблизительно по экспоненциальному закону снижается величина остаточного напряжения. С учетом этих положений моделируется поведение пускового органа ПА, выявляющего потерю рабочего напряжения по величине и знаку угла [90]. Предполагается, что в ходе моделирования напряжение U2 резервного источника (второй секции) сохраняет неизменным начальное значение, амплитуда которого может задаваться, а его частота сохраняет номинальное значение 50 Гц.

Для напряжения U1, соответствующего двигательной нагрузке, могут быть заданы перед моделированием (блок 2): длительность tЭДС затухания остаточной ЭДС до величины 5% номинального значения, механическая постоянная инерции эквивалентной нагрузки Tj, экв, амплитудное значение U1, нач в момент начала выбега, фазовый сдвиг нач (0) напряжений источников в момент начала выбега.

Кроме того, в блоке 2 определяются конечное значение интервала исследования tкон и шаг t. Для повышения точности расчет ведется в миллисекундах, поэтому для согласования с остальными временными параметрами, задаваемыми в секундах, далее в формулах применяются корректирующие коэффициенты. Задаваемое значение чувствительности входных пороговых элементов Uср является общим для обоих напряжений.

Рисунок 35 – Алгоритм моделирования выбега ЭД

В программе можно учесть, что амплитудное значение напряжения секции с двигателями в момент потери питания, как правило, падает до (0,85-0,9)Uном, хотя может и возрасти до 1,3Uном, если синхронные двигатели перед этим работали в режиме компенсации реактивной мощности. С помощью начального фазового сдвига нач (0) задается несинфазность напряжений резервируемых источников в рабочем режиме, либо, что более существенно, скачок фазы в момент отделения секции от питающего источника. Данный скачок является следствием мгновенной смены напряжения источника остаточным напряжением двигателей, работающих с некоторым углом нагрузки 0.

В блоке 3 формируются константы: начальное значение частоты 50 Гц, значение , начальное значение времени t = 0. В блоке 4 выполняются: расчет собственного значения , определяющего скорость снижения ЭДС электродвигателей, перевод значения угла нач из градусной меры в радианы.

Основной расчет производится в блоке 5. Согласно (3)

пересчитывается для текущего момента времени значение частоты, а по формуле

– амплитудное значение затухающей ЭДС двигательной нагрузки.

Далее определяются мгновенные значения напряжений резервирующего источника

и выбегающих электродвигателей

.

Вычитание в аргументе учитывает первоначальный сдвиг на 180 полуволн напряжений, контролируемых пусковым органом.

Блоками 6-7, 8-9 осуществляется однополупериодное выпрямление подаваемых на фазочувствительный элемент напряжений. В блоке 10 проверяется условие его срабатывания (обе полуволны напряжений одновременно превышают уставку порогового элемента Uср) и при выполнении условия генерируется управляющая импульсная последовательность y. Оба напряжения u1, u2 и сигнал y выводятся на график как функции текущего времени t (блок 13). Отметим, что в среде MS EXCEL легко осуществляется одновременный вывод результата в таблицу и на график. Операции повторяются, пока текущее значение времени не превысит заданное tкон.

Модификация базового варианта программы формирует динамическую модель, что дает возможность не только установить факт превышения заданной разности фаз напряжений и длительность существования этого режима, но и сформировать реакцию на знак угла сдвига фаз (порядок чередования фаз), характерную для последовательностных фазочувствительных ПО (рисунок 36).

Рисунок 36 – Выбег СД без учета угла нагрузки

Моделирование поведения последовательностного ПО автоматики в ходе выбега двигательной нагрузки первой секции производилось при следующих исходных данных: длительность затухания остаточной ЭДС tЭДС = 5 с, механическая постоянная инерции эквивалентной нагрузки Tj, экв = 5 с, амплитудное значение в момент начала выбега U1, нач = 1,0 о. е., фазовый сдвиг напряжений источников в момент начала выбега нач = 0, град.

Положительные импульсы в последовательности y соответствуют совпадению полуволн u1 и u2 при опережающем появлении u1 (положительном знаке разности фаз), отрицательные импульсы – то же при опережающем появлении u2 (отрицательном знаке разности фаз). Изменение знака управляющей последовательности y соответствует переходу угла сдвига фаз напряжений через 180, пауза – попаданию в зону нечувствительности вблизи = 0. Наблюдаются неравенство длительностей импульсных последовательностей разного знака в течение одного цикла (несимметрия полупериодов) и сокращение общей длительности последовательности с каждым следующим циклом проворота векторов напряжений.

Временем ожидания tож является время от момента возникновения потери питания и до момента, когда этот факт установлен устройством автоматики. Из графика следует, что при заданных условиях время ожидания составит около 0,06 с, момент перехода 180 фиксируется через 0,2 с. Аналитически время ожидания может быть определено из формулы

, с,

где ср – угол срабатывания устройства, равный

, град.

Упрощенный вариант программы использует статическую модель, что позволяет исследовать реакцию фазочувствительных органов автоматики в течение полупериода промышленной частоты, при этом частоту и амплитуду (может задаваться) остаточного напряжения электродвигателей в интервале исследования полагают постоянными величинами (рисунок 37). Показано соотношение однополярных полуволн напряжений рабочего u1 и резервного u2 источников при величине разности фаз нач = 120 и уровне остаточной ЭДС двигателей 0,5Uном. Угол срабатывания ПО для порога чувствительности 0,1Uном равен ср = 17,27 град, длительность совпадения полуволн на уровне уставки tc = 5,71 мс, время ожидания tож равно 0,098 с.

Рисунок 37 – Соотношение полуволн напряжений

Угол срабатывания ПО при уровне остаточной ЭДС двигателей 0,11Uном равен ср = 71,12, время ожидания составляет уже 0,198 с; длительность совпадения полуволн на уровне уставки 0,1Uном и максимальном сдвиге фаз нач = 180 равна 2,73 мс.

Модель работы частотных устройств реализуется проще, так как для них достаточен лишь контроль уровня частоты на секции с электродвигателями.

На основе полученных результатов можно сформулировать общий подход к выбору угла срабатывания фазочувствительного пускового органа. При высоких требованиях к быстродействию ПО уставка не должна существенно превышать угол нагрузки 0 синхронных двигателей в нормальном режиме, поскольку при потере питания вектор остаточного напряжения на секции с двигателями мгновенно смещается на величину, равную эквивалентному углу нагрузки. Если при этом сразу будет достигнута уставка срабатывания, исключается неопределенное время tож разворота ротора эквивалентного СД от 0 до ср, орган действует без дополнительной задержки.

Так, при скачке на секции фазы напряжения двигателей до значения угла нагрузки 0 = 15 исчезновение питающего напряжения определяется мгновенно (рисунок 38, сигнал Y), практически при t = 0, тогда как угол 180 достигается лишь при t = 0,22 с. Запаздывание относительно фактического времени достижения противофазы 0,214 с вызвано непрерывным изменением частоты напряжения выбегающих ЭД.

Рисунок 38 – Поведение ПО при скачке 0 = 15

С другой стороны, при различных неисправностях ТН, например, перегорании предохранителя высокого или низкого напряжения, обрыве фазы, происходит мгновенное изменение вторичных напряжений как по амплитуде, так и по фазе. В частности, при обрыве одной фазы вторичных цепей ТН возможно смещение фазы по крайней мере одного напряжения на 120º и снижение его амплитуды до 0,5Uном. Очевидно, что это приведет к ложному формированию признака потери питания.

При потере питания действие автоматики не должно иметь места до явного выхода СД из синхронизма с сетью, отсюда уставку по углу принимаем не менее 90º – при меньших значениях δ синхронные машины, как правило, сохраняют устойчивость. Известно также, что восстановление питающего напряжения с углом δ около 105-135º опасно для двигателей по условию величины момента на валу, с δ порядка 180º – по условию деформации изоляции обмоток и величины тока включения. Кроме того, величина разности фаз 180º обычно свидетельствует о нарушении синхронизма двигателей с питающим источником и неопределенности результата их самостоятельной ресинхронизации после восстановления электроснабжения. Таким образом, величина δ, равная 90-180º, позволяет констатировать наиболее неблагоприятные условия работы синхронной машины, и, следовательно, указывает на необходимость замещения питающих вводов с выполнением целесообразных сопровождающих операций (гашение возбуждения двигателей и т.п.).

Величина δср, выбранная в диапазоне углов 150-180º, позволяет отстроиться и от режимов, сопровождающихся сдвигом по фазе напряжений на входах органа в режимах неисправности ТН. Однако она требует использования в устройстве высокоточных, устойчивых к изменениям температуры окружающей среды и срока эксплуатации компонентов, поскольку разница в величине задержки t3, соответствующей значениям угла 120º (неисправность ТН) и 150º составляет при номинальных напряжениях всего 1,67 мс и уменьшается с увеличением порога срабатывания формирователей импульсов или снижением амплитуды напряжений.

Одновременно такая уставка ухудшает чувствительность устройства по напряжению. Так, если принять за время отстройки t3 длительность совпадения полуволн напряжений 5,71 мс на уровне уставки 0,1Uном в режиме неисправности ТН (напряжение 0,5Uном, угол сдвига фаз 120), то при снижении напряжения ЭД до 0,15Uном полная длительность совпадения полуволн уменьшается до 5,35 мс (рисунок 39) и орган отказывает в работе.

Рисунок 39 – Снижение напряжения ЭД до 0,15Uном

При времени отстройки t3 = 4 мс момент срабатывания выявительного органа отодвигается от 0 до 0,14 с (см. рисунок 38, сигнал Z), что говорит об ухудшении быстродействия. Отметим, что при уставке 180° запаздывание ПО относительно графика Y не превышает собственного времени задержки t3.

Таким образом, можно сделать предварительный вывод, что выбор в качестве уставки срабатывания значения 180 обеспечивает более стабильную работу устройства, тогда как при выборе угла срабатывания в интервале 0-180 время ожидания существенно зависит от собственной задержки срабатывания ПО t3, от начального угла нагрузки СД и от порога чувствительности входных формирователей импульсов. Кроме того, выбор δср = 180° позволяет отстроиться от изменения фазовых характеристик вторичных напряжений при разного рода неисправностях трансформаторов напряжения.

3.3 Совершенствование алгоритмов выявления потери

питания на основе последовательностных функций

Не отвергая полностью принцип отстройки от фазового сдвига по времени t3 существования совпадения импульсов, что напрямую связано с заданием уставки по углу, рассмотрим и другую возможность. Проведенный анализ позволил установить тот факт, что при неисправности ТН вторичные напряжения изменяются неодинаково: имеет место либо сдвиг по фазе с опережением одного вектора относительно первоначального состояния (положения вектора одноименного напряжения контрольного источника), либо сдвиг с отставанием по фазе, либо сохраняются первоначальные параметры (рисунок 40, а).

а)     б)

Рисунок 40 – Характер фазового сдвига напряжений при

выбеге двигателей и неисправности ТН

Наоборот, для выбега двигателей на секции характерно синхронное изменение параметров вторичных напряжений относительно первоначального состояния: все напряжения отстают на одинаковый угол и одинаково изменяют амплитуду (рисунок 40, б).

Предлагается обеспечить селективную работу органов выявления потери питания в рассматриваемом случае использованием мажоритарного принципа построения устройства: имеет место режим потери питания двигателей, если не менее чем два сочетания одноименных фаз рабочего и резервного напряжений характеризуются одинаковым знаком угла сдвига фаз

,

где x1 = sign(UAB1^UAB2), x2 = sign(UBC1^UBC2), x3=sign(UCA1^UCA2).

Минимизируем указанное логическое высказывание, используя карту Карно

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что достаточно контролировать состояние любых двух логических переменных из трех

,

а, следовательно, упростить как логическое высказывание, так и реализующее устройство [91].

Устройство с мажоритарным принципом отстройки от сдвига фаз в режимах, не соответствующих выбегу двигателей (рисунок 41), используется у потребителя, секции которого питаются от независимых источников через выключатели 1 и 2 и имеют нормально отключенный выключатель 3 связи. В состав устройства входят фазочувствительные блоки 4 и 5 с выходами для положительного 6 и 7 и отрицательного 8 и 9 знака разности фаз, элементы И 10 и 11, элементы НЕ 12 и 13, элементы 14 и 15 задержки, исполнительные блоки 16 и 17. Последние действуют на отключение выключателей 1, 2 и гашение магнитного поля СД соответственно первой и второй секций потребителя.

Работа схемы при перерыве питания второй секции характеризуется срабатыванием блоков 4 и 5 по выходам 8 и 9, элементов И 11 и задержки 15, исполнительного блока 17. Схема сохраняет сработанное состояние до снижения остаточного напряжения двигателей менее порога чувствительности блоков 4 и 5, либо до восстановления питания секции выключателем 3. Время возврата схемы (задержка элементов 14 и 15) соответствует расчетному времени восстановления подсинхронной скорости СД после переключения, возврат блоков 16 и 17 обеспечивает повторную подачу возбуждения.

Рисунок 41 – ПО с повышенной устойчивостью

к фазовым сдвигам

В режиме перегорания предохранителя датчика напряжения угол сдвига фаз одноименных напряжений либо имеет разный знак (рисунок 34, а), либо напряжения остаются синфазными. Поэтому блоки 4 и 5 срабатывают по выходам для разного знака разности фаз, на входах элементов И отсутствует один разрешающий сигнал и схема не работает ложно. Прочие режимы неисправности ТН или несимметричных повреждений в сети также характеризуются разным знаком сдвига напряжений по фазе, либо отсутствием фазового сдвига одного из напряжений. Благодаря этому схема отстроена от указанных режимов. Угол срабатывания фазочувствительных блоков 4 и 5 целесообразно принять равным максимально допустимому углу нагрузки СД.

Напомним, что нами также предложен иной принцип построения фазочувствительных ПО автоматики, позволяющий избежать точного задания уставок по углу или усложнения структуры устройства, и одновременно отстроиться от режимов, сопровождающихся изменением фазы напряжений. Для выявления потери питания с выбегом электродвигателей фиксируют изменение порядка следования сигналов (фаз) в заданной последовательности в пределах установленного интервала времени [92]. Этот признак (обозначим его x22), соответствует уставке 180º, так как именно в момент достижения противофазы напряжений первоначальный порядок образования совпадающих сигналов сменяется противоположным (рисунок 33). Если анализировать режим выбега двигательной нагрузки первой секции, то устройство должно срабатывать в момент, когда регулярная входная последовательность 00, 10, 11, 01, 00 сменяется на иную 00, 01, 11, 10, 00 за время, близкое к периоду промышленной частоты.

Используя оператор ОПЕРЕЖЕНИЕ, можно записать аналитически условия функционирования выявительного органа подобного типа в виде

  (18)

По сравнению с первым предложенным признаком x21 контроль рассматриваемого признака x22 увеличивает время распознавания аварийной ситуации, так как происходит ожидание момента смены одной последовательности наборов на противоположную, в частности, с t  0 до t = 0,22 с (см. рисунок 38). С другой стороны, это время теперь неразрывно связано с фактическими параметрами двигательной нагрузки и увеличивает надежность функционирования ПО.

Двойное использование ПЛФ упрощает измерительную часть выявительного органа и снижает требования к стабильности времени задержки на срабатывание, которое можно уменьшить до значения, необходимого лишь по условию исключения риска в нуле на выходе последовательностной схемы совпадения. Тем не менее, использование обоих предложенных признаков по-прежнему предполагает, что пусковые органы быстродействующей ПА и пусковые органы минимального напряжения строятся из разных, независимых, не связанных органически узлов, что вынуждает увеличивать количество используемых устройств и затрудняет унификацию средств автоматики в целом.

Выполненные ранее исследования (подраздел 1.3) обеспечивали универсализм фазочувствительных ПО автоматики, однако для указания дефектной секции при этом использовались дополнительные признаки (например, величина тока на питающем вводе), не связанные прямо с величиной или знаком разности фаз напряжений.

Возможность распознавания факта потери питания при любом составе нагрузки потребителя по единому информационному параметру дает многократное применение ПЛФ [93]. Основой универсальных алгоритмов распознавания является контроль последовательности появления во времени прямых и инверсных сигналов, формируемых из однополярных полуволн напряжений рабочего и контрольного (резервного) источников, в моменты совпадения этих сигналов (присвоим данному признаку обозначение x23).

Предполагается, что контролируемые напряжения на входах устройства в нормальном режиме совпадают по фазе и амплитуде. Единичный уровень сигнала  () соответствуют наличию (отсутствию) полуволны напряжения U1, сигнала  () – наличию (отсутствию) полуволны напряжения U2. В нормальном режиме и при отсутствии обоих напряжений взаимно резервируемых секций совпадение (набор 11) сигналов ,  и ,  не наблюдается (рисунок 42, а).

а) б) в) г)

Рисунок 42 – Формирование наборов переменных в процессе

распознавания аварийной ситуации

В режиме выбега потерявшей питание двигательной нагрузки первой секции до наступления 180º образуется по два набора 11 после наборов 10 (рисунок 42, б), после прохождения противофазы напряжений – соответственно два набора 11 после наборов 01 (рисунок 42, в). Провал напряжения первой секции сопровождается периодическим формированием единственного набора 11 с опережением комбинации 10 (рисунок 42, г), указывающей на неисправную первую секцию; неисправности второй секции соответствует симметричная картина. Следовательно, порядок образования заданных значений переменных , , ,  при их совпадении, количество конъюнкций и последовательность их формирования во времени позволяют однозначно установить факт перерыва питания, состав обесточенной нагрузки и погашенную секцию. При этом измерительная часть выявительного органа упрощается до двух формирователей однополупериодных импульсов.

Вспомогательные воздействия y1, y2, y3, y4 формируются в зависимости от порядка образования входных сигналов , , ,  в наборах

Здесь  – оператор задержки появления сигнала на время t1 для отстройки от допустимого разброса амплитудно-фазных характеристик напряжений в нормальном режиме,  и  – операторы задержки исчезновения сигнала на время t2 и t3 для устранения его импульсного характера. Задержка  должна обеспечивать сохранение сигнала при отсутствии второй полуволны напряжения (не менее 10 мс для промышленной частоты 50 Гц), задержка  – сохранение сигнала в течение времени прохождения векторами напряжений зоны нечувствительности вблизи 0.

Условия отключения ввода первой (второй) секции при потере питания с выбегом двигательной нагрузки определяются последовательностью образования вспомогательных сигналов y2, y3 при их совпадении

Алгоритм отключения основного ввода при провале напряжения и отсутствии генерирующей нагрузки

требует присутствия составляющей z, помогающей установить, что из возможного количества вспомогательных сигналов имеется лишь один

– оператор задержки действия АВР на время t4 для отстройки от работы устройств защиты и автоматики в питающей сети, выбирается стандартным способом, y5 – сигнал блокировки при отключении автоматов вторичных цепей ТН. Симметричная логическая функция  может использоваться также для непрерывного контроля состояния входных цепей и отдельных элементов устройства. Так, фиксация режима неисправности ТН, сопровождающегося сдвигом вторичных напряжений по фазе, осуществляется по признаку отличия числа образующихся вспомогательных сигналов от одного

где  – оператор задержки появления сигнала на время t5 для отстройки от изменения величины угла сдвига фаз напряжений в процессе выбега электродвигателей.

Задержка подачи резервного питания на выбегающие электродвигатели и запрет включения секций потребителя на параллельную работу при несовпадении напряжений по фазе также выполняется по условию, что число вспомогательных сигналов с уровнем 1 отличается от одного

Структурное воспроизведение [94] синтезированных алгоритмов распознавания представлено на рисунке 43. Схема может быть построена на программируемой логической матрице (ПЛМ), постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), мультиплексоре, микропроцессоре.

Сравниваемые напряжения U1 и U2 поступают на вход пороговых элементов 1 и 2. Последовательностные элементы И 3 и 4 формируют сигнал на одном из своих выходов в зависимости от порядка появления входных сигналов к моменту их совпадения, а к выходам элементов задержки 5-8 подключены адресные входы ПЗУ 9. Состоянию Q1 = 1 ПЗУ соответствует входной набор z1z2z3z4 = 0001, сигналу 1 на выходе Q2 соответствует набор 0101, для Q3 набор 1000, для Q4 набор 1010 и для Q5 набор 1111. Стробирующий вход V предназначен для блокировки действия выявительного органа сигналом от внешней схемы, например, от блок-контактов автомата вторичных цепей ТН.

Рисунок 43 – Структурная схема выявительного органа

В нормальном режиме оба напряжения удовлетворяют нормируемым показателям качества, а, следовательно, близки друг к другу по амплитуде и фазе, формируемые элементами 1 и 2 сигналы ,  и ,  не совпадают во времени, управляющие воздействия на входах элементов задержки 5-8 отсутствуют. При резком снижении амплитуды напряжения первого источника на входах элемента 4 периодически совпадают сигналы ,  = 1, причем появление  = 1 опережает во времени появление сигнала  = 1. Благодаря этому элементом 4 периодически формируется сигнал  = 1, а на выходах элементов задержки образуется слово 0001, в результате чего сигнал Q1 = 1 на выходе ПЗУ указывает на короткое замыкание в сети первого источника, либо его отделение от секции потребителя, не имеющего электродвигателей. Аналогично отсутствие напряжения U2 ведет к формированию импульсов  = 1, образованию управляющего слова 1000 и появлению сигнала 1 на выходе Q3.

В начале выбега потерявшей питание двигательной нагрузки первой секции амплитуда напряжения U1 снижается незначительно, однако вследствие ускоренного изменения угла сдвига фаз напряжений происходит совпадение во времени сигналов ,  и ,  на входах элементов 3 и 4 с опережением  =  = 1. Последовательности импульсов возрастающей длительности на выходах схем 3 и 4 преобразуются элементами задержки 6 и 8 в непрерывный сигнал z2 = z4 = 1, тогда как z1 = z3 = 0. По входному слову 0101 ПЗУ образует команду на выходе Q2, наличие которой свыше обусловленного времени указывает на неисправность измерительного трансформатора или несимметрию контролируемых напряжений по любой другой причине.

Обычный процесс выбега отделенных от источника электродвигателей характеризуется обязательным наступлением противофазы (180º) напряжений U1 и U2, после чего к моменту совпадения сигналов ,  и ,  порядок их образования меняется на противоположный (, = 1 появляются прежде ,  = 1). Тогда последовательность импульсов убывающей длительности формируется на иных входах последовательностных элементов совпадения 3, 4 и запоминается элементами задержки 5 и 7, что в итоге обеспечивает появление адресного слова 1111 на входах ПЗУ и сигнала 1 на его выходе Q5. После истечения собственной задержки элементов 6, 8 набор 1111 сменится на 1010.

В соответствии с рассмотренной структурой может быть построен универсальный выявительный орган АВР, пригодный для потребителей с произвольным составом нагрузки.

Все три рассмотренных информационных признака не являются характеристиками какого-либо одного сигнала, они образуются только у пары (совокупности) сравниваемых сигналов. В силу этого они обладают одновременно как свойством индивидуального указания погашенной секции, так и свойством выявления общего требования на восстановление нормального режима, т. е. относятся к комбинированным [95-96].

Кроме того, сравнение алгоритмов распознавания потери питания по трем признакам дает основания для следующего вывода: функция НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ позволяет выполнить универсальный выявительный орган, т. к. одинаково чувствительна как к неравнозначности амплитуд напряжений, так и к неравнозначности фаз (сравниваемые сигналы в исходном режиме совпадают по фазе и амплитуде). Для построения пусковых органов с чувствительностью лишь к фазовым характеристикам необходимо использовать логическую функцию РАВНОЗНАЧНОСТЬ, точнее, ее часть, соответствующую совпадению сигналов И (сравниваемые воздействия в исходном режиме сдвинуты на 180, т. е. сравниваются разнополярные напряжения).

3.4 Использование теории распознавания образов

для синтеза устройств противоаварийной автоматики

Большое количество существующих признаков потери питания и их возможных комбинаций требует решения задачи выбора совокупности признаков, обеспечивающей максимальную эффективность и ресурсосбережение устройств ПА подстанций с электродвигателями. Аналогичная проблема может возникать и при синтезе иных выявительных органов автоматики.

Процесс выявления потери питания является частным случаем общей задачи распознавания образов, т. е. преобразования входной информации, в качестве которой используются признаки опознаваемых объектов (режимов), в выходную, представляющую собой заключение о том, к какому классу относится распознаваемый образ [97]. Используя основные понятия и этапы построения систем распознавания, выполним в настоящем разделе разбиение множества состояний совокупности энергосистема-потребитель на классы, выбор в условиях поставленных ограничений пространства признаков и описание на их языке классов (режимов). Далее осуществляется выбор минимального набора признаков и связывающего их алгоритма, что в совокупности позволяет реализовать систему с максимальной эффективностью распознавания потери питания. Синтез дискретных устройств автоматики предписывает использовать только логические признаки, т.е. элементарные высказывания, принимающие значения истинности вида 1 или 0 в зависимости от попадания контролируемой величины в заданный интервал.

Напомним, что булева функция считается заданной, если можно указать значения истинности этой функции при всех возможных комбинациях значений истинности входящих в нее элементов (высказываний). Таблицу, которая представляет все возможные комбинации значений истинности некоторого набора элементов А, В, С ... называют базисом. Строки базиса называют изображающими числами соответствующих элементов и обозначают приписыванием слева от элемента знака #. Изображающее число дизъюнкции двух элементов равно сумме изображающих чисел слагаемых, изображающее число конъюнкции двух элементов равно произведению изображающих чисел сомножителей. Двойной смысл символов  и  в логических формулах и операциях над изображающими числами заключается в том, что в первом случае эти символы используются для обозначения дизъюнкции и конъюнкции над высказываниями, а во втором – для операций поразрядного логического сложения и умножения изображающих чисел элементов.

Эффективность процедур распознавания в существенной степени зависит от ресурсов, затрачиваемых на техническую реализацию этих процедур: аппаратуру (измерительную, преобразующую, вычислительную...) и математическое обеспечение. Эти ресурсы могут касаться проблем финансовых, временных, трудовых, габаритных, энергетических и т. д. Реализация эффективных процедур распознавания требует выбора наилучших вариантов (стратегий). Однако в условиях ограничений на ресурсы, которые могут быть выделены на реализацию процесса распознавания, возникает конфликтная ситуация: при заданном признаковом пространстве расширение алфавита классов в целях увеличения степени детализации подразделения объектов на классы ведет к уменьшению достоверности распознавания, а ее повышение требует (в условиях заданного признакового пространства, определяемого аппаратными, измерительными возможностями, а значит, и выделенными ресурсами) сокращения алфавита классов.

Предлагается разрешить это противоречие следующим образом.

Процедура распознавания делится на два этапа. На первой стадии объектом распознавания является само устройство управления (структура устройства), для которого производится выбор совокупности признаков (минимизация признакового пространства) и объединяющего их алгоритма (отыскание решающего правила). На втором этапе, этапе эксплуатации системы, объектом распознавания является класс режимов, соответствующий потере питания объекта электроснабжения с комплексной нагрузкой. При этом сама система распознавания (система управления) реализует выбранные на первом этапе логические высказывания, построенные на минимизированном словаре признаков (признаковом пространстве).

Иначе: от заданного числа классов режимов двигаемся к организации признакового пространства, в котором выбираем оптимальную логическую формулу преобразования информации и соответствующий этой формуле набор описывающих признаков. Обратный ход – по истинности логического высказывания относим исследуемое явление к тому или иному классу режимов потребителя.

В итоге исследований сформулирована методика выбора эффективной структуры устройства ПА, как системы распознавания, решающая задачу нахождения такой совокупности информационных признаков, которая при минимальном их количестве позволит получить наиболее полную информацию о характере аварийной ситуации [98]. Перечислим основные этапы методики.

- Выбор объекта электроснабжения и характера разрабатываемой для него автоматики, формулирование ограничений и условий, присущих данному виду автоматики.

- Составление алфавита классов (объектов распознавания) из двух конечных множеств r, где r = 1,2, объединяющих некие режимы wi с требованием срабатывания и несрабатывания пускового органа ПА.

- Составление алфавита описывающих признаков и определение дополнений к ним. Если признаки режимов обозначить через xj, j = 1, 2, …, N, то каждый объект в N-мерном пространстве признаков может быть представлен в виде вектора X = (x1, x2, …, xN), координаты которого характеризуют свойства объекта (режима).

- Установление для каждого признака границ контроля (уставок) или интервалов, в пределах которых признак принимает значение 1 или 0.

- Формирование базиса – таблицы, столбцы которой соответствуют опознаваемым объектам, а строки – описывающим признакам. Таблица заполняется с учетом достоверности конкретного xj признака – однозначности его попадания в заданный интервал в соответствии с наложенными ограничениями. Если возможно формирование значений как 1, так и 0, признак помечается символом неопределенности Х, в иных случаях руководствуются правилом

.    (19)

- Формирование изображающих чисел по строкам для каждого признака отдельно по множествам режимов с требованием срабатывания и требованием несрабатывания. Правило формирования изображающих чисел учитывает, что при возможности появления на выходе измерительного элемента с двумя устойчивыми состояниями как 1, так и 0 для одного и того же режима wi на входе, о значении входного параметра нам ничего неизвестно, количество информации равно нулю. Если для класса объектов 1 = {wk} отсутствие информации ведет к отказу срабатывания автоматики и признаку xj в этом случае следует сопоставить 0, то для класса режимов 2 = {wl} оно приводит к отказу несрабатывания и признаку xj ставится в соответствие 1. В результате записи изображающих чисел получается перестроенный базис.

- Объединение изображающих чисел по правилам, предписанным для действий с изображающими числами, в соответствии с предполагаемым или существующим алгоритмом функционирования устройства автоматики для каждого множества режимов отдельно.

Например, если устройство контролирует два признака по схеме совпадения И, то объединение строк, содержащих значения каждого признака, производится по следующему правилу: на пересечении строки xj, j = 1, 2, 3, … с каждым столбцом из 1 = {wk} указывается 1, если оба значения истинны, и 0, если хотя бы одно значение ложно или неоднозначно (Х). При объединении значений строк xj, j = 1, 2, 3, … на пересечении со столбцами из 2 = {wl} указывается 0, если хотя бы одно значение ложно, и 1, если одно из значений истинно, а второе либо истинно, либо неоднозначно.

- Расчет показателя эффективности (надежности распознавания) K по решающему правилу, сформулированному в виде максимизируемой целевой функции

.     (20)

Здесь  () – сумма значений разрядов изображающих чисел эквивалентных высказываний для первого и второго классов режимов, m – количество рассмотренных вариантов, n – отобранный вариант. Вариант с наибольшим значением показателя эффективности принимается к реализации.

В зависимости от поставленной цели, характера объекта электроснабжения и вида автоматики, могут изменяться наборы как описывающих признаков, так и различающихся режимов. Методика может быть реализована вручную, либо использоваться для реализации на ЭВМ путем простого перебора вариантов. При этом первичный базис перед вводом в базу данных ЭВМ формируется разработчиком.

При равных значениях показателя эффективности для нескольких комбинаций признаков в качестве дополнительного критерия выбора принципа построения устройства ПА может использоваться сложность реализующей аппаратуры, в том числе количество и сложность необходимых измерительных датчиков, число операций преобразования первичных параметров в логические переменные, которые должны стремиться к минимуму.

Накладываемые ограничения и условия определяются видом синтезируемого устройства автоматики. В частности, при построении быстродействующих средств ПА вводится ограничение по времени распознавания, которое в этом случае находится в пределах 0,1-0,6 с. Влияние подобного ограничения хорошо видно на примере признака исчезновения напряжения на секции (x1) – при неограниченном времени распознавания данный признак является универсальным, т. е. одинаково пригодным для выявления потери питания как при наличии ЭД, так и при их отсутствии, так как напряжение выбегающих электродвигателей рано или поздно снижается до нуля. Однако с вводом упомянутого ограничения признак x1 переходит в разряд применяемых только на подстанциях без ЭД, теряя универсальность.

Условия определяют требования к формированию комбинации признаков и к их составу. Для построения ЗПП, например, достаточно использовать в рабочем словаре лишь признаки индивидуального указания неисправного источника, и нет необходимости иметь в комбинации признаков хотя бы один универсальный, поскольку ЗПП применяют только при наличии ЭД. При построении АВР обязательным является сочетание индивидуальных и групповых признаков, при построении централизованных устройств автоматики, сочетающих функции АВР и ЗПП, по крайней мере один признак или их комбинация обязательно должны быть универсальными.

Дополнения отражают особенности применения признака, способствующие повышению качества распознавания, особенно в режимах, требующих несрабатывания автоматики. Как правило, при использовании дополнений усложняется структура устройства, например, возрастает число необходимых датчиков. В частности, для признака x21 (контроль порядка чередования фаз напряжений) дополнением является использование мажоритарного принципа контроля – при этом вдвое возрастает число контролируемых напряжений, для признака x1 (отсутствие напряжения) дополнением может служить сигнал об отключении автомата вторичных цепей ТН и т. п. Дополнения должны специально оговариваться при составлении базиса, а для расчетов данный признак используется только в сочетании с заявленным дополнением.

Рассмотрим принципы определения порогов информационной чувствительности (уставок срабатывания) используемых признаков потери питания объекта электроснабжения с двумя питающими направлениями и двигательной нагрузкой. Присвоим информационным признакам индексы для удобства работы с ними.

Для пусковых органов минимального напряжения целесообразно задавать уставку срабатывания по отсутствию напряжения (признак x1) равной напряжению отпадания пускателей и выходных реле технологических защит КИПиА, то есть (0,55-0,65)Uном, поскольку потеря этих элементов ведет к расстройству технологии, однако стандартная уставка равна (0,25-0,4)Uном и ниже. Для реле максимального напряжения, контролирующих состояние резервного источника, принимают уставку (0,8-0,9)Uном, этими двумя величинами и определяется допустимая разность напряжений (признак x11)

Для единственного реле понижения частоты в устройстве автоматики (признак x2) рекомендуется уставка 48,5-49 Гц, а при использовании двух реле частоты на секции уставку пускового реле выполняют на 0,5-1,0 Гц ниже, чем блокирующего. Порог срабатывания специальных органов контроля разности частот (признак x12) определяется их конструктивным исполнением, например, у реле типа ИРЧ-1 уставка не регулируется. У микропроцессорного устройства МРЗС порог по разности частот может задаваться в пределах от 0,1 до 3,0 Гц, контроль высокого уровня частоты резервного источника (признак x3) производится в диапазоне 48-51 Гц.

Контроль направления активной мощности на вводе (признак x6) выполняется реле направления мощности, не требующими расчета уставок. Правильность их функционирования обеспечивается выбором поданных на реле линейного напряжения секции и фазного тока ввода, причем ток должен опережать напряжение по фазе на 30°. Условимся, что x6 = 1, если активная мощность не направлена к потребителю.

Уставка Iср реле минимального тока (признак x5) рассчитывается по выражению

,

где  Iнагр.мин – минимальное значение тока нагрузки на рабочем вводе,

 kв – коэффициент возврата токового реле, обычно 0,85,

 kн – коэффициент надежности, обычно 1,2-1,3,

kТТ – коэффициент трансформации трансформаторов тока.

Выбор эталонной скорости снижения частоты для пусковых органов АВР (признак x4) производится по формуле

,

где f1, f2 – уставки реагирующих частотных элементов (реле),

tу – уставка реле времени, контролирующего длительность изменения частоты секции от f1 до f2,

 vд. min – минимальная скорость снижения частоты напряжения выбегающих электродвигателей;

kн – коэффициент надежности 1,7–2,0;

Параметр срабатывания средств автоматики по величине разности фаз (признаки x13, x21) должен опережать опасные значения угла включения 105-135°, превышать значения номинального угла нагрузки синхронного двигателя и составляет 15-60°. В пусковых органах с контролем признаков x22, x23 отключение рабочего ввода производят по достижению = 180°, что дает определенный запас по времени от момента возникновения аварии и свидетельствует о нарушении синхронной работы двигателей с питающим источником.

В упрощенных схемах АВР, где контроль угла осуществляется косвенно по величине напряжения скольжения (2) между одноименными фазами ТН разных секций, реле максимального напряжения настраивается на срабатывание при

,

где kн – коэффициент надежности 1,25,

 Uф – фазное напряжение сети,

kTH – коэффициент трансформации ТН.

Для реле контроля синхронизма рекомендуется уставка 40°.

При оценке качества признака x7 (сравнение направлений токов ЭД одной секции) обычно учитывается возможность сокращения количества двигателей на секции до М = 1 или М = 0, когда признак физически отсутствует.

3.5 Выбор принципа работы универсального

устройства противоаварийной автоматики

Применим созданную методику для построения универсального устройства противоаварийной автоматики для подстанций ответственных потребителей с непрерывной технологией и двигательной нагрузкой. Такое устройство должно опираться на набор функций ПО АВР, как наиболее полный, воспроизводить также функции ЗПП и, частично, АПВ.

Поскольку набор функций АВР покрывает набор функций ЗПП, далее мы осуществляем синтез устройства автоматики как универсального органа АВР, пригодного для подстанций при наличии и отсутствии ЭД. Соответственно устанавливаем ограничение по быстродействию, т. е. интервал распознавания ограничиваем величиной 0,5-0,6 с. Составляем базис (таблица 11), группируя рассмотренные выше признаки аварийной ситуации в соответствии с предложенной нами классификацией: индивидуальные, общие, комбинированные, универсальные.


Таблица 11

Признак xi

Режимы объекта электроснабжения

срабатывания

несрабатывания ПА

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

w8

w9

w10

w11

w12

w13

Признаки индивидуального указания потери питания (без ЭД)

нет напряжения (x1)

1

Х

1

Х

Х

0

Х

Х

0

0

Х

Х

0

нет тока на вводе (x5)

1

Х

Х

Х

0

Х

0

Х

1

Х

Х

Х

Х

нет потребления активной мощности (x6)

1

1

1

Х

Х

Х

0

1

1