Устройства телемеханики

В настоящее время в системах электроснабжения находится в эксплуатации значительное количество устройств телемеханики (УТМ) различных типов. Тип УТМ в значительной степени опреде­ляется областью их использования; информационной емкостью и принятым объемом ТМ с учетом перспектив расширения; комплект­ностью поставки оборудования ТМ; надежностью работы и другими факторами. Поскольку ТМ становится технической базой информа­ционного обеспечения АСУ, появились новые типы устройств с улучшенными техническими характеристиками, расширенными функциональными возможностями, выполненные на новой элемент­ной базе — микросхемах и микропроцессорах.

Более разнообразными становятся и требования, предъявляе­мые к устройствам ТМ. Наряду с требованиями экономичности, надежности, уменьшения габаритов и потребляемой мощности появилась необходимость унификации и блочного построения уст­ройств, разработки комплексных устройств ТМ, использующих об­щий канал связи для передачи сигналов телеуправления, телеси­гнализации, телеизмерений. При определении требований учитыва­ется уровень, на котором производится телемеханизация. Так, для ДП объединенных энергосистем необходимы большой объем ин­формации, высокая скорость и надежность ее передачи, квитиро­вание команд ТУ и некоторых сигналов ТС. Для ТМ распредели­тельных сетей напряжением 6—10 кВ необходимы простота кон­струкции и эксплуатации, организация каналов связи по линиям электропередач без специальной высокочастотной обработки, упро­щенное присоединение комплектов к проводам линий, спорадиче­ский принцип передачи небольшого числа сигналов и т. д.

Устройства телемеханики ближнего действия. Устройства теле­измерения. При передаче информации на относительно близкие расстояния (десятки километров) используются аналоговые непре­рывные сигналы в виде изменений постоянного тока, а устройства телеизмерения (УТИ) ближнего действия функционируют по си­стеме интенсивности. В таких УТИ измеряемые параметры режи­мов работы системы электроснабжения измерительными преобра­зователями электрических величин и так называемыми датчиками

Рис. 17.6. Схемы устройств телеизмерения ближнего действия

неэлектрических величин преобразуются в пропорциональный по­стоянный ток.

На рис. 17.6,а,б показаны схемы УТИ с выпрямительными из­мерительными преобразователями переменного тока и напряжения. Особенностью измерительного преобразователя напряжения этой схемы является нелинейность: в рабочем диапазоне изменений на­пряжения коэффициент преобразования увеличивается (характе­ристика преобразования растягивается). Для этого используются два трансформатора: TLV и TLVT, второй из которых вследствие насыщения магнитопровода имеет нелинейную характеристику. Поэтому разность U _О3 выпрямленных диодами VD1, VD2 напряже­ний U _О1 и U _О2 имеет линейную зависимость от измеряемого напря­жения в пределах U_И = (0,7÷1,2) U _{и. ном} (рис. 17.6, в). Меньшим значениям U _И соответствует условие U _О3 < 0, при этом диод VD3 закрыт. Устройства телеизмерения с включением балластного ре­зистора R _б в линию связи ЛС (рис. 17.6, а, б) называют небаланс­ными в отличие от балансных, в которых осуществляется обратная связь по выходному сигналу измерительного преобразователя. Об­ратная связь компенсирует изменение параметров линии связи и позволяет увеличить дальность действия устройств ТИ (до l = 100 км по кабельным линиям вместо l = 25÷30 км при неба­лансных устройствах). Приемным элементом УТИ является милли­амперметр РА. В некоторых УТИ используются логометрические показывающие приборы, обеспечивающие большую точность телеизмерения.

На рис. 17.7 показана схема измерительного преобразователя УТИ мощ­ности, например типа СПВА-2. Он функционирует по время импульсному способу перемножения тока и напря­жения и выполнен на основе магнитных элементов с прямоуголь­ной петлей перемагничивания (рис. 17.7, а).

Рис. 17.7 Схема принципа действия время-импульсного измерительного преобразователя мощности.

Устройство можно использовать для преобразования мощности в постоянный ток. Если в обмотку ω _зп подавать импульсы напря­жения U₁, пропорциональные, например, активной составляющей переменного тока Icosφ, а к коллекторной цепи транзистора VT подвести напряжение u _k, пропорциональное напряжению U сети, то среднее значение тока коллектора окажется пропорциональным активной мощности переменного тока контролируемого объекта: I≈ UI cos φ = Р.

Устройства телеуправления и телесигнализации (ТУ—ТС). На рис. 17.8 показана одна из возможных схем устройства ТУ—ТС с использованием проводного разделения сигналов. В этом устрой­стве сигналы управления и сигналы положения, относящиеся к п отдельным объектам управления, передаются по отдельным проводам; для отделения сигналов управления выключателями Q от сигналов их положения используется амплитудный признак, а позиционным признаком включенного-отключенного состояний служит полярность. Число проводов в линии связи равно n+1. На каждый выключатель на стороне ДП имеются ключ управления SA с самовозвратом, два диода, реле сигнализации включенного KQC и отключенного KQT состояний и по четыре дополнительных рези­стора (R_д1, R_д2). На стороне КП к каждому индивидуальному про­воду подключены через диоды реле исполнения, осуществляющие включение КСС и отключение КСТ выключателей. В цепи обмоток реле исполнения включены вспомогательные контакты выключате­лей Q. Контактами ключей управления SA и контактами реле по­ложения на ДП замыкаются цепи ламп сигнализации включенно­го HLR, отключенного HLG положений и HLW— несоответствия положений ключа управления и выключателя.

 

Рис. 17.8. Устройство телеуправления — телесигнализации с проводным разделением сигналов

Сопротивления добавочных резисторов R_д1 и R_д2 выбраны таким образом, что ток в резисторе R_д1 достаточен для действия реле сигнализации, но недо­статочен для срабатывания реле исполнения, а включение резистора R_д2 приводит к возврату реле сигнализации и к срабатыванию соответствующего реле испол­нения. Например, если выключатель Q1 оперативно отключен, то его вспомога­тельные контакты Q1.1 и Q1.2 находятся в положении, показанном на рис. 17.8. При этом срабатывает реле положения KQT1 и горит лампа HLG1. Реле КСТ1 и KQC1 не возбуждены. При включении выключателя Q1 подача команды вклю­чения приводит к отключению реле KQT1 и к срабатыванию реле КСС1. После включения выключателя Q1 и переключения вспомогательных контактов Q1.1 и Q1.2 реле КСС1 возвращается, а полярность тока в проводе передачи сигнала изменяется на обратную. Это сопровождается срабатыванием реле KQC1, кон­такты которого включают лампу HLR1.

Если оперативно отключенный выключатель Q1 включен на КП устройством местной автоматики, то после переключения его вспомогательных контактов реле KQT1 возвращается, а реле KQC1 срабатывает. Так как ключ SAI остается в положении «О» (отключено), то его контакты и контакты реле положения KQ.CI создают цепь несоответствия и зажигается лампа HLW. Аналогично схема действует и при отключении защитой выключателя, ранее включенного опера­тивно.

Если ДП и КП расположены на незначительном расстоянии и питаются от общей трехфазной сети переменного тока, то приме­няется однопроводное устройство телеуправления (рис. 17.9).

На ДП к переключателю SN, выбирающему объект управления от фаз а—с трехфазного делителя (резисторы R₁—R₃) напряжения и от диодов VD1—VD3 подведены семь напряжений, отличающихся по абсолютному значе нию и фазе. На КП последовательно с реле исполнения, например включения КСС1—КССЗ, включены неоновые лампы HV1—HV3, потенциал зажигания ко­торых U_зж выбирается в пределах

1,5U_ф > Uзж > 0,865Uф,

где Uф — фазное напряжение сети, В.

Если переключатель SN установить в положение 1, то оба конца цепи об­мотки КСС1 будут подключены к одному фазному выводу (фаза а) и реле дей­ствовать не будет (рис. 17.9, а). Цепи обмоток других реле оказываются вклю­ченными на линейные напряжения; U_ab— реле КСС2; U_ac— реле КССЗ. Неоно­вые лампы в цепях реле КСС2 и КССЗ зажигаются, и эти реле срабатывают. Положению 2 переключателя SN соответствует срабатывание реле КСС1 и КССЗ, а положению 3— срабатывание реле КСС1 и КСС2. Если переключатель установить в положение 4, 5 и 6, то срабатывает одно реле—КССЗ, КСС1 и КСС2 соответственно. При установке переключателя в положение 7 срабатывают все реле. Таким образом, имеется семь самостоятельных комбинаций состо­яний срабатывания реле исполнения. Де­шифровка этих комбинаций осуществля­ется цепями из последовательно соеди­ненных контактов реле исполнения (рис. 17.9,б).

Достоинством рассмотренного устройства является однопровод-ность, а недостатком — относи­тельно небольшая дальность дей­ствия. При небольшом объеме телесигнализации с необслужи­ваемых объектов она может вы­полняться по схемам, показанным на рис. 17.10. На первой схеме (рис. 17.10,а) представлен вариант вызывной сигнализации, при которой с КП передаются лишь два сигнала: предупредительный и аварийный. Для различения этих сигналов используется полярный признак.

Нормально по линии связи проходит ток контроля се исправности, достаточ­ный для срабатывания реле аварийной сигнализации К.НЕ1 и реле предупреди­тельной сигнализации КНЕ2, находящихся на ДП. Срабатывая одновременно, эти реле размыкают цепи сигнальных ламп: HL3— контроля; HL2— предупреди­тельной; НИ— аварийной. На КП также имеются два реле сигнализации: KHG2 — предупредительной и KHG1 — аварийной. На обмотки этих реле напря­жение подается через контакты соответствующих устройств сигнализации. Дей­ствие на КП одного из видов сигнализации приводит к срабатыванию соответ­ствующего реле (KHG1 или KHG2}.

Сработавшее реле контролируемого пункта размыкает линию связи для полуволн тока определенной полярности, и соответствующее реле на ДП воз­вращается в исходное состояние, включая сигнальную лампу и звуковой сигналь­ный прибор НА. Например, при аварийном отключении одного из контролируе­мых объектов срабатывает реле KHG1, возвращается реле КНЕ1, включаются НL1 и НА. При коротком замыкании в линии связи или ее обрыве возвращают­ся оба реле КНЕ1 и КНЕ2 и замыкается цепь сигнализации неисправности линии связи HL3 и НА.

Вторая схема (рис. 17.10,6) осуществляет передачу с транс­форматорной подстанции городской электросети нескольких сигна­лов. Для этого со стороны КП в линию связи включаются резисто­ры R3—R7, закорачиваемые контактами реле КЗ—К7 различных устройств защиты и сигнализации, а на ДП используется показы­вающий миллиамперметр РА со шкалой, на которую нанесены от­метки (1,...,7), соответствующие разным телесигналам; например:

1 — повреждение линии связи; 2 — нормальный режим; 3 — пере­грузка трансформаторов; 4 — потеря напряжения; 5 — замыкание на землю; 6— срабатывание газо­вой защиты; 7 — вызов на подстан­цию. Наличие источника питания на КП является недостатком схемы, но при этом используется один сигнал 1 при коротких замыканиях в линии связи и при ее обрыве. При установ­ке источника питания на ДП надо уплотнять шкалу миллиамперметра или уменьшать число сигналов с КП, хотя то и другое нежела­тельно.

Устройства телемеханики даль­него действия. Устройства телеизме­рения. Эти устройства рассматрива­ются на примере времяимпульсных систем. В этих системах измеряемая величина преобразуется в импульсы прямоугольной формы, продолжи­тельность которых пропорциональ­на значениям измеряемой вели­чины.

Рис. 17.11. Преобразователи и при­емные приборы время — импульс­ных систем телеизмерения

На рис. 17.11,а показана одна из возможных функциональных схем преобразователя. Измеряемая аналоговая величина предва­рительно преобразуется в пропорциональное напряжения U _х, ко­торое сравнивается с напряжением пилообразной формы и _к гене­ратора G. Элемент сравнения ЭС фиксирует моменты равенства этих напряжений. При этом на его выходе появляются разнополярные кратковременные импульсы, которые можно использовать для переключения, например, триггера T из одного устойчивого поло­жения в другое. С изменением значения напряжения U_x время между моментами появления положительного и отрицательного импульсов изменяется так, что на выходе триггера появляются им­пульсы прямоугольной формы, продолжительность которых про­порциональна U_х.

Преобразователь время — импульсных систем можно выполнить

и на основе релейно-контактных элементов.

Упрощенная схема одного из них показана на рис. 17.11,6. Здесь генера­тором пилообразного напряжения U _к является автоматический реостат, щетка которого вращается электродвигателем с постоянной частотой по часовой стрел­ке. При перемещении щетки из положения 1 в положение 2 напряжение U _к изменяется по линейному закону от значения U _к = 0 до стабилизированного значения U _к == U_СТ (рис. 17.11, в). В качестве элемента сравнения ЭС исполь­зовано балансное реле. Время замкнутого состояния его контакта определяет продолжительность импульса t_и, а время разомкнутого состояния—продолжи­тельность паузы t_п на выходе преобразователя (рис. 17.11, в). Реле находится в положении, при котором его контакт замкнут, если 0 ≤ U _k ≤ U _x. Оно пере­ходит в другое состояние и размыкает контакт при условии U _x ≤ U _k ≤ U_ст.

Таким образом, значение U _x определяет продолжительность импульса t_и и паузы t_п. С увеличением U _x увеличивается t_и и уменьшается t_п (рис. 17.11, в). Приемная часть время — импульсной системы обычно выполняется как измери­тельный прибор среднего значения тока. На рис. 17.11,е в схему приемной части включен транзистор VT, управляемый импульсами, полученными в результате преобразования измеряемой величины. Транзистор открыт в течение времени, равного продолжительности импульса t_и. Так как он подключен к стабилизиро­ванному напряжению U_ст, то при соответствующей частоте следования импуль­сов (не менее нескольких герц) показания миллиамперметра РА определяются средним значением тока I_0к (рис. 17.11, д).

Многофункциональное устройство телемеханики типа КУСТ-2. В энергетических системах наибольшее применение в настоящее время имеет аппаратура телемеханики дальнего действия ти­па КУСТ-2 [7], выполненная на интегральных микросхемах и предназначенная для обслуживания группы подстанций, связанных между собой н центральной подстанцией линиями 35—220 кВ. Вы­пускаются две модификации: КУСТ-А, рассчитанная на передачу восьми телесигналов ТС с каждого из шести КП на центральную подстанцию ДП и одной команды ТУ, которая может передаваться с ДП на все КП одновременно; КУСТ-Б, предназначенная для де­сяти КП, из которых шесть имеют емкость ЮТУ, 4ТИ, 24ТС, а остальные четыре имеют только 4ТИ. Аппаратура типа КУСТ, отличающаяся надежностью, гибкостью, успешно применяется в энергосистемах, где она работает совместно с аппаратурой высо­кочастотной связи типа АСК-РС и аналогичной ей [106]. Для пе­редачи информации с ДП на КП и в обратном направлении используются два канала. Первый из них КС1 от ДП ко всем КП служит для выбора КП — адресата, а второй KCII от КП к ДП используется поочередно каждым КП для передачи информации на ДП (рис. 17.12, а). Подключение аппаратуры КП к каналу связи производится бесконтактным ключом SA.

Рис. 17.12. Структурная схема и сигналы телемеханического устройства типа КУСТ

Работа производится в циклическом режиме. Со стороны ДП в канал связи поочередно посылаются адреса всех КП, от которых.при отсутствии повреждений в аппаратуре и канале связи посту­пают контрольные сигналы, а также информационные сигналы о состоянии объектов ТС. Сигналы с данного КП начинают посту­пать после окончания передачи кода его адреса и продолжаются в течение времени передачи кода адреса последующего КП. Таким образом, в устройстве типа КУСТ использовано временное разде­ление сигналов.

Это поясняется графиками (рис. 17.12,6), на которых изображена диаграм­ма импульсной серии устройства КУСТ-А. Единичные импульсы и паузы между ними имеют одинаковую продолжительность t_и = t_п. Генератор импульсов рас­положен на ДП. Вся импульсная серия разбита на циклы в соответствии с чис­лом КП. Цикл состоит из десяти тактов, каждый из которых содержит один импульс и одну паузу. Циклы отделены друг от друга маркерными импульсами МИ продолжительностью 3 t_и. В коде адреса, который состоит из пяти тактов, информацию несет утроенная пауза. Цикл формируется десятишаговым распре­делителем импульсов. Для контроля синхронности работы распределителей ДП и КП используется последняя утроенная пауза в каждом цикле. Синхронность обеспечивается, если сформированный на КП на последнем цикле 0 специаль­ный сигнал окончания цикла ОЦ совпадает с маркерным импульсом. С КП на ДП возвращаются отраженные сигналы, причем передача кода адреса данно­го КП (например, КП2) сопровождается получением сигналов от предыдущего КП1. На каждом такте фиксируется положение одного из объектов ТС1—ТС8.

Включенному положению объекта соответствует такт, в котором импульс предшествует паузе — 1,0. Если объект отключен, то сначала следует пауза, а затем импульс — 0,1. В соответствии с этим на КП6 включены ТС1—ТС4 и от­ключены ТС5—ТС8. Девятый такт используется для передачи с КП новой инфор­мации НИ о положении объектов ТС. Появлению новой информации соответству­ет следование в такте сначала импульса, а затем паузы—1,0. В рассматривае­мом примере новая информация поступает с КП1.

Область применения различных устройств телемеханики в си­стемах электроснабжения. Особенностью телемеханизируемых объ­ектов на промышленных предприятиях является их значительное количество на существенно ограниченной площади при небольших расстояниях между ДП и КП. Поэтому выпускаемые промышлен­ностью устройства ТМ предназначены прежде всего для работы по физическим линиям связи и имеют достаточно большой объем передаваемой информации. Типы устройств ТМ, применяемых в си­стемах электроснабжения промышленных предприятий, весьма различны, что объясняется не только зависимостью между требова­ниями к УТМ и видом производства, естественным процессом по­стоянного совершенствования аппаратуры, но и тем, что ряд ми­нистерств занимается самостоятельной разработкой УТМ для своих предприятий. Поэтому в значительном многообразии применяемых устройств почти всегда удается выбрать необходимое. Наиболее широко распространены в настоящее время бесконтактные устрой­ства ТМ на полупроводниковых и магнитных элементах (типов ТМЭ, МКТ, ВРТФ, РТСМ), а также на интегральных микросхемах (типа ТМ-800В). Аналогичная аппаратура применяется и в город­ских электрических сетях.

Одни из таких устройств специализированы и предназначены, например, только для ТС (типа РТСМ), другие являются ком­плексными многофункциональными [99]. Так, например, устройст­во ВРТФ-3 выполняет функции ТУ, ТС, ТИ, а также функции теле­регулирования и ретрансляции. Устройство выполнено по блочному принципу (всего 26 модулей), причем блоки ТУ-ТИ и ТС являются автономными и не имеют общих связей, что позволяет вести одно­временную и независимую их работу. В устройстве реализован принцип временного разделения сигналов с пошаговой синхрони­зацией. Метод передачи ТУ—ТИ — спорадический, а ТС — цик­лический. В устройстве предусмотрена возможность передачи крат­ковременных экстренных сообщений.

Особо следует отметить, что устройства ТМ все чаще включа­ются в подсистемы различных уровней АСУ. Так, аппаратура ти­па ТМ-301 (многофункциональная аппаратура, обеспечивающая ТУ,ТС, ТИ) может быть связана с цифровыми ЭВМ серии агре­гатных средств вычислительной техники (АСВТ-М) на базе про­цессора М6000 с помощью устройства сопряжения УС-2К, постав­ляемого в комплекте с ТМ-301 [102]. При этом осуществляется спорадический ввод информации в ЭВМ, а по инициативе ЭВМ производятся контрольный вызов ТС, передача команд ТУ, вызов ТИ и др.

В сельских распределительных сетях описанные выше устрой­ства ТМ оказываются мало эффективными по ряду причин: сложность организации каналов связи; незначительный объем ТС на КП (пять-шесть на подстанцию); ухудшенные условия эксплуата­ции. Поэтому в сельских электрических сетях мало используется серийно выпускаемая аппаратура ТМ. Следует отметить ряд раз­работок по применение импульсных систем ТМ в сетях напряже­нием 6—10 кВ [104, 107], внедренных в некоторые системы электро­снабжения. Такие устройства просты по конструкции, дешевы, не требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры высокочастотной обработки проводов линий; достаточно конденсатора связи и ин­дукционного преобразователя UL (см. рис. 17.5).

В последнее время работы по комплексной автоматизации и телемеханизации сельскохозяйственных сетей ведутся весьма ин­тенсивно, что позволяет предположить в скором времени выпуск промышленностью устройств ТМ для сетей напряжением 6—ЮкВ сельскохозяйственных потребителей, отвечающих всем необходи­мым требованиям. В сетях 35—110 кВ, имеющих каналы связи в. ч., может применяться и применяется общепромышленная аппарату­ра, например типа КУСТ. Следует, однако, иметь в виду, что по­требность в устройствах ТМ пока удовлетворяется не полностью. Кроме того, аппаратура КУСТ эффективно используется лишь при достаточно большом количестве телемеханизируемых объектов на подстанции и предназначена для работы с аппаратурой высокоча­стотной связи по каналам линий электропередач типа АСК-РС. Необходимый объем телемеханизации для большинства узловых сельских подстанций напряжением 35—ПО кВ ограничивается тре­мя—пятью объектами, а во многих энергосистемах используется аппаратура связи других типов, в частности ВЧА-СЧ, не имеющая канала ТМ. В связи с этим необходима разработка достаточно универсальных и простых устройств ТМ, способных эффективно ра­ботать, например, в сельских сетях в сочетании с различной аппа­ратурой высокочастотной связи.

Таким устройством, в частности, является аппаратура ТС для сельских распределительных сетей напряжением 35—110 кВ [108]. Она выполнена на основе интегральных микросхем. Синхронизация полукомплектов диспетчерского и контролируемого пунктов осу­ществляется от общей электрической сети импульсами с частотой 50 Гц. Устройство предназначено для установки на необслуживае­мых подстанциях и имеет общий объем ТС, рассчитанный на 15 (вариант А) или 30 (вариант Б) объектов, которые могут распо­лагаться как на одной, так и на разных подстанциях. Многие сель­скохозяйственные подстанции выполняются по упрощенным схемам с короткозамыкателями и отделителями. Надежность электроснаб­жения повышается при отказе от короткозамыкателей и использо­вании аппаратуры высокочастотного телеотключения, например ВЧТО [109].

Сравнительно просто выполняется устройство телеотключения с использованием аппаратуры высокочастотной телефонной связи, например, ВЧА—СЧ [113].