ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2015, № 2, с. 81-97
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ^^^^^^^^^^^^^^ МЕТОДЫ
УДК 681.5
АВТОМАТИЗАЦИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА МНОГОТАКТНЫХ РЕЛЕЙНО-КОНТАКТНЫХ СХЕМ* © 2015 г. А. В. Бобров, И. А. Головинский, С. В. Карташов
Орша, Оршанские электрические сети "Витебскэнерго", Москва, ОАО "НТЦ ФСК ЕЭС", Исполком Электроэнергетического Совета СНГ Поступила в редакцию 27.08.14 г., после доработки 10.11.14 г.
Предлагается структурно-топологическая модель релейно-контактных схем. Описывается алгоритм моделирования срабатывания многотактной релейно-контактной схемы на основе анализа ее топологии и правил действия реле на контакты. Для топологического анализа ре-лейно-контактной схемы вводится специальная алгебра графов. Рассматривается автоматическое построение диаграммы переходов состояний многотактной релейно-контактной схемы путем прогона сценариев входных сигналов. Прогон сценариев демонстрируется на примере схемы устройства Автоматики ликвидации асинхронного режима в энергосистеме.
Б01: 10.7868/80002338815020043
Введение. Устройства промышленной автоматики на релейно-контактных схемах (РКС) постепенно уступают место цифровым программируемым контроллерам. По своим функциональным возможностям последние качественно превосходят РКС. Тем не менее, например, в электроэнергетике находится в эксплуатации масса устройств релейной защиты (РЗ) и противоава-рийной автоматики (ПАА), реализованных на РКС. Нормативные сроки их службы измеряются десятилетиями: им предстоит еще долго оставаться в строю. Методики анализа срабатывания этих устройств востребованы при их настройке и при расследовании аварий. Исследования надежности режимов энергосистем и компьютерные тренировки оперативно-диспетчерского персонала в электроэнергетике требуют моделирования автоматики энергосистем, в том числе реализованной на базе РКС. Не забудем и о том, что РКС независимо от их элементной базы остаются аппаратной основой вычислительной техники, и замены им здесь не предвидится.
РКС ПАА энергосистем в общем случае являются многотактными: их полное срабатывание происходит в результате получения ряда последовательных сигналов. Алгоритмизацию анализа срабатывания многотактной РКС (для ее автоматизации) мы понимаем как разработку единообразного математического метода построения компьютерной модели для широкого класса РКС, позволяющей проигрывать любые сценарии (последовательности) входных сигналов. Анализ результатов моделирования для различных сценариев входных сигналов позволяет выводить заключения о корректности работы многотактной РКС, о соответствии ее реакций заданным требованиям.
1. Постановка задачи. Анализ срабатывания многотактной управляющей РКС должен позволять персоналу релейной службы центра оперативно-диспетчерского управления энергосистемы или электросети выявлять состав и очередность событий, последовательность которых могла привести к наблюдаемому результирующему состоянию схемы. Входные сигналы принимаются схемой в близкие моменты времени. При небольших смещениях этих моментов очередность поступления входных сигналов может измениться, а это может привести к качественно иной реакции схемы. При анализе схемы важно выяснить, как влияют изменения очередности входных сигналов на срабатывание схемы.
* Статья содержит результаты работ, проводимых в рамках прикладных научных исследований по теме: "Разработка адаптивного координирующего устройства для оперативного управления переключениями (АКУ ОУП) в интеллектуальной электрической сети" (уникальный идентификатор прикладных научных исследований и экспериментальных разработок КБМБР157514Х0077) в Национальном исследовательском университете "МИЭТ". Работы выполняются при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
6
81
Реакция многотактной РКС на входной сигнал зависит от этого сигнала и от текущего состояния схемы. Поэтому многотактная РКС математически описывается как конечный автомат. Известна внутренняя конструкция этого автомата. Он образован соединением катушек реле и переключаемых контактов. Каждый из этих элементов может находиться в одном из двух возможных состояний и менять состояние под внешним воздействием. Катушки и контакты соединены между собой линейными элементами, проводящими ток либо в обе стороны — электропроводами, либо только в одну — диодами.
Будем рассматривать РКС, элементами которых являются:
входной и выходной узлы ("плюс" и "минус") цепи оперативного тока, питающего схему;
множество реле (релейных элементов);
множество электропроводов, пропускающих ток в двух направлениях;
множество контактов, которые в замкнутом положении пропускают ток в двух направлениях;
множество диодов, пропускающих ток в одном направлении;
множество узлов соединения электропроводов, диодов и контактов.
Эти элементы будем рассматривать как логические, абстрагируясь от аппаратного их исполнения. Под релейным элементом (реле) будем понимать устройство, содержащее "катушку реле" и осуществляющее переключение определенного набора контактов при изменении состояния катушки. Понятие "катушка реле" означает не обязательно физическую катушку — обмотку с сердечником. Оно обозначает логический элемент, изменение состояния которого вызывает переключение контактов.
Два возможных состояния катушки реле будем называть "пуск" и "сброс". Катушка реле находится в состоянии "пуск" при наличии достаточного тока в ее обмотке. При отсутствии достаточного тока катушка находится в состоянии "сброс". "Пуском" или "сбросом" будем называть также переход катушки в соответствующее состояние. Пуском и сбросом реле считаем пуск и сброс его катушки.
Контакт тоже имеет два возможных состояния — "замкнут" и "разомкнут", и два перехода состояний — "замыкание" и "размыкание". Нормально разомкнутый контакт имеет начальное состояние "разомкнут", нормально замкнутый — "замкнут". Все контакты, на которые действует реле, будем называть контактами этого реле. Будем предполагать, что на каждый контакт действует только одно реле. При пуске реле, работающего без задержки, его нормально разомкнутые контакты замыкаются, нормально замкнутые — размыкаются. Если контакты переключаются с задержкой, то их переключение происходит при достижении установленной временной задержки (уставки), при условии нахождения в этот момент катушки реле в состоянии "пуск". При сбросе реле его контакты переключаются в нормальное (исходное) положение.
Катушки реле, контакты и диоды рассматриваются как двухполюсные элементы. Через свои полюсы они соединяются друг с другом, образуя электрические цепи. Распространение напряжения в этих цепях будем моделировать топологически.
Состояния некоторых реле не зависят от переключения контактов внутри схемы, а зависят только от сигналов, принимаемых схемой извне. Эти реле называются входными. Остальные реле в составе схемы будем называть внутренними. Будем предполагать, что катушка каждого внутреннего реле одним своим полюсом может соединяться с входным узлом схемы через цепи произвольной топологии, содержащие контакты и диоды, но не содержащие других катушек. Другим полюсом катушка должна соединяться с выходным узлом схемы через цепи, содержащие контакты и диоды, но не содержащие других катушек. Их топология тоже предполагается произвольной.
Если реле работает с задержкой переключения контактов (реле времени), то считаем, что оно состоит из двух элементов — катушки и таймера. Функция таймера состоит в том, чтобы отсчитывать время от момента пуска катушки до достижения заданного времени задержки переключения контактов — уставки. Считаем, что таймер может находиться в одном из трех состояний: "отсчет времени задержки не начат", "идет отсчет времени задержки" и "время задержки истекло". При пуске катушки реле времени таймер этого реле переходит в состояние "идет отсчет времени задержки" и начинает отсчет времени. Этот переход будем называть "пуском" таймера. "Сбросом" таймера считаем достижение им уставки, независимо от того, в каком состоянии ("пуск" или "сброс") находится в этот момент катушка. При "сбросе" таймер прекращает отсчет времени задержки и переходит в состояние "время задержки истекло".
Реле времени часть своих контактов может переключать сразу при пуске, а остальные контакты — по истечении задержки времени, если в этот момент его катушка находится в состоянии "пуск". Если в этот момент катушка находится в состоянии "сброс", то никаких переключений
реле времени не производит. "Сброс" реле времени происходит при сбросе его катушки независимо от состояния таймера. При этом контакты реле времени переключаются в свое нормальное положение.
Предполагается, что в схеме имеется один контакт, при замыкании которого осуществляется выходное воздействие многотактной РКС на управляемый объект. Этот контакт будем называть выходным.
В состав релейно-контактных схем часто входят элементы и иных типов, кроме перечисленных выше. Например, резисторы и конденсаторы. Цель статьи состоит в изложении принципиального подхода к автоматизации моделирования и анализа РКС, поэтому мы ограничиваемся наиболее важными типами элементов. Элементы других типов моделируются аналогичными методами. Например, поведение конденсатора, как дополнительного источника питания реле, описывается двумя его состояниями (заряжен/разряжен) и топологией связей с реле и контактами. Задержка времени на зарядку конденсатора моделируется так же, как задержка действия реле на контакт. Что касается резисторов, то они обычно не играют самостоятельной логической роли. Их назначение состоит в улучшении функциональности и надежности релейных элементов.
2. Моделирование динамики РКС как конечного автомата. Для анализа РКС как конечного автомата необходимо построить диаграмму переходов состояний этого автомата. Состояния РКС определяются состояниями входящих в нее реле и контактов. Пусть РКС (автомат) Я содержит т реле и п контактов. Поскольку каждая катушка и каждый контакт имеет два возможных состояния, то получается всего 2т + п возможных комбинаций состояний катушек и контактов. Это число будет е
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.