Способ выделения ортогональных составляющих тока короткого замыкания

 

Использование: в электротехнике, а именно в релейной защите и автоматике электрических систем, преимущественно реализуемой на элементах цифровой техники: дистанционной защите, определителях места повреждения линий электропередачи. Сущность изобретения: способ характеризуется минимально возможным числом операций и абсолютной устойчивостью. Ток короткого замыкания умножают на два опорных ортогональных сигнала, а получаемые мультипликативные сигналы интегрируют на непрерывно смещаемом интервале времени заданной продолжительности. Положительный эффект достигается особым преобразованием мультипликативного сигнала. Для этого формируют два импульсных периодических сигнала и по их командам формируют три пары промежуточных сигналов: интегральных, прямоугольных и инверсных. Интегральный сигнал периодически устанавливается на нуль, прямоугольный сигнал передает уровень интегрального сигнала перед установкой на нуль, а инверсный сигнал формируют путем инвертирования интегрального сигнала и смещения на полпериода. Ортогональная составляющая может быть получена путем наложения промежуточных сигналов. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике, и может быть применено в дистанционной защите и определителях места повреждения линий электропередачи.

Ортогональные составляющие электрических величин представляют собой информационную основу современной релейной защиты, реализуемой на микропроцессорной технике. Известен общий подход к выделению ортогональных составляющих путем умножения входной величины на два опорных ортогональных сигнала, в результате чего получают два мультипликативных сигнала, и последующей фильтрации постоянной составляющей мультипликативных сигналов [1]. Способы выделения ортогональных составляющих тока короткого замыкания различаются операциями, выполненными над мультипликативными сигналами. В общем случае их необходимо пропустить через два фильтра: нижних частот и заграждающий [2] . Однако более просто постоянная составляющая выделяется одной операцией интегрирования мультипликативных сигналов на непрерывно смещаемом интервале времени заданной продолжительности [3]. Обычно продолжительность интервала выбирается равной периоду частоты сети или его половине.

В цифровой технике интегрирование заменяется суммированием заданного числа отсчетов мультипликативного сигнала. Если на заданный интервал времени приходится m отсчетов, то на каждом очередном шаге (интервале дискретизации) приходится выполнять m-1 операцию суммирования. Рекурсивное использование предыдущей суммы (путем добавления нового отсчета и отбрасывания самого старого) невозможно из-за неизбежного накопления ошибки, т.е. потери устойчивости преобразования.

Цель изобретения - упрощение способа выделения ортогональных составляющих при гарантии его абсолютной устойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что известный способ выделения ортогональных составляющих, включающий операции умножения тока на два опорных ортогональных сигнала и интегрирования на непрерывно смещаемом интервале времени заданной продолжительности, дополнен операциями, снимающими проблему большого числа слагаемых на каждом шаге. Это операции формирования путем давления частоты опорных ортогональных сигналов двух импульсных периодических сигналов, разнесенных во времени на половину периода, совершаемого по командам импульсов указанных сигналов преобразования каждого мультипликативного сигнала в шесть промежуточных сигналов, образующих три пары: интегральных, прямоугольных и инверсных сигналов, и суммирования всех промежуточных сигналов. Каждый тип промежуточных сигналов формируется по-своему: интегральный сигнал формируют путем интегрирования мультипликативного сигнала от момента поступления импульса одного импульсного сигнала и с установкой на нуль по импульсу другого импульсного сигнала; прямоугольный сигнал формируют только в паузах соответствующего интегрального сигнала путем фиксации уровня последнего непосредственно перед установкой его на нуль; инверсный сигнал формируют путем инвертирования и смещения на полпериода интегрального сигнала. В результате появляются две группы сигналов - по три в каждой. Одна гpуппа действует в паузах дpугой, и для получения ортогональных составляющих достаточно в каждый момент времени осуществить только три операции сложения.

Для повышения быстродействия способа предлагается фиксировать момент возникновения короткого замыкания и синхронизировать с ним первый импульсный сигнал.

Максимальная частота импульсных сигналов совпадают с частотой опорных ортогональных сигналов, а та не может быть выше частоты сети.

Совокупность указанных операций попутно решает задачу непрерывного интегрирования сигнала на заданном интервале во всех иных технических приложениях, где она может встретиться. При этом быстрое выделение ортогональных составляющих - наиболее актуальное приложение интегрального способа фильтрации постоянной составляющей.

На фиг.1 дана диаграмма, иллюстрирующая операции интегрального преобразования на примере постоянного сигнала; на фиг.2 - то же, но на примере переменного сигнала; на фиг.3 - диаграммы выделения ортогональных составляющих тока, принявшего вследствие ограничения форму меандра; на фиг.4 - структурная схема, реализующая способ.

На диаграммах показаны: 1 - интегральный сигнал х, который в предлагаемом способе выступает в качестве первого мультипликативного сигнала х_с; 2 и 3 - импульсные сигналыδ периода Т, первый из них δ₁опережает второй δ₂ на время T/2; 4 - первый интегральный сигнал; 5 и 6 - сформированные из последнего прямоугольный и инверсный сигналы; 7-9 - вторая группа аналогичных сигналов; 10 - выходной сигнал, идентифицируемый с первой ортогональной составляющей; 11 - входной сигнал - ток произвольной формы; 12 и 13 - опорные ортогональные сигналы, форма которых может быть различна (например, гармонические, но прежде всего - меандры); 14 - второй мультипликативный сигнал х_s; 15-20 - промежуточные сигналы, аналогичные сигналам 4-9, но связанные с преобразованием сигнала х_s; 21 - вторая ортогональная составляющая как выходной сигнал i_s.

На структурной схеме приведен канал выделения одной ортогональной составляющей i_с, включающий умножитель 22, интеграторы 23 и 24, блоки 25 и 26 аналоговой памяти, блоки 27 и 28 задержки (смещения на Т), инверторы 29 и 30 и сумматор 31. Канал выделения второй ортогональной составляющей строится аналогичным образом, начиная с умножителя 32. Общими для обоих каналов являются генератор 33 опорных сигналов и генератор 34 импульсных сигналов.

По определению для выделения ортогональных составляющих принципиально необходимы две операции: умножения входной величины на опорные ортогональные системы и интегрирования на непрерывно смещаемом интервале времени Т x_c ( t ) = i ( t ) c ( t ), (1) i_c(t) =x_c(τ)dτ (2) x_s ( t ) = i ( t ) s ( t ), (1,a) i_s(t) =x_s(τ)dτ (2, a) Этот интервал должен быть кратен полупериоду частоты сети.

Операция (2) согласно предлагаемому способу реализуется следующим образом. Формируются независящие от входной величины импульсные периодические сигналы δ₁ и δ₂, как бы размечающие временную ось фиксированными моментами КТ, где k - целые числа, и формируются интегральные сигналы на фиксированных, а не смещаемых, как в (2), интервалах времени y_1c(k,t) = x_c(τ)dτ, kT<t<(k+1)T (3) y_2c(k+1,t) x_c(τ)dτ, (k+1)T<t<(k+2)T (3, a) Период импульсных сигналов составляет два интервала Т. В конце каждого фиксированного интервала интегральные сигналы (3) устанавливаются на нуль. Их паузы также имеют продолжительность Т, т.е. сигнал y_1с формируется на одних, допустим четных, интервалах, а сигнал y_2с - на нечетных. Паузы же заполняются сигналами двух других типов: прямоугольными z₁, z₂ и инвертированными w₁, w₂, формируемыми по следующему правилу при (k+1) T < t <(k + 2)T z_1c (k + 1,t) = y_1c (k, kT) = const, (4) w_1c (k + 1,t) = -y_1c (k, t - T), (5) а при (k + 2) T < t < (k + 3) T z_2c (k + 2,t) = y_2c [k + 1, (k + 1)T] = const, (4,a) w_2c (k + 2,t) = -y_2c (k + 1, t - T). (5,a) Искомый выходной сигнал i_с определяется наложением шести сформированных промежуточных сигналов i_c = y_1c + y_2c + z_1c + +z_2c + w_1c + w_2c. (6) Каждый из промежуточных сигналов отличен от нуля только на четных или нечетных интервалах, в связи с чем фактически суммированию подлежат только три сигнала при kT < t < (k + 1)T i_c (k, t) = y_1c (k, t) + z_2c (k, t) + + w_2c (k, t) (7) а при (k + 1)T < t (k + 2)T i_c (k + 1,t) = y_2c (k + 1,t) + + z_1c (k + 1,t) + w_1c (k + 1,t) (7,а) Форма промежуточных сигналов определяется законом изменения преобразуемой величины х, процесс преобразования которой в выходной сигнал в любом случае устойчив, так как интегральные сигналы y, равно как и все остальные промежуточные сигналы, могут возрастать лишь отведенное для этого время Т.

Рассмотрим процесс формирования сигналов, начиная с момента t = 0, задаваемого произвольным импульсом сигнала δ₁. Если х_с = а - постоянный сигнал (фиг. 1), то на нулевом интервале, начало которому положил импульс δ₁, первый интегральный сигнал изменяется по линейному закону y_1c(0, t) = adτ = at, 0<t<T При t = Т он будет установлен на нуль, но взамен начнется формирование прямоугольного сигнала
z_1c (1, t) = y_1c (0, T) = aT, T < t < 2T и инверсного сигнала
w_1c (1,t) = -y_1c (0, t - T) =
= -a (t - T), T < t < 2T. В то же время появляется и второй интегральный сигнал
y_2c(1, t) = adτ = a(t-T), T<t<2T На следующем интервале сигнал y_1с возобновляется в виде
y_1c(2, t) = adτ = a(t-2T) а предыдущий сигнал y_2c(1,t) порождает промежуточные сигналы
z_2c (2, t) = y_2c (1, 2T) = aT, 2T < t < 3T
w_2c (2, t) = -y_2c (1,t - T) = -a (t - 2T).

Если момент возникновения короткого замыкания t_кз приходится на интервал k = =-1 (-T < t_кз < 0), то процесс формирования сигналов начинается немедленно (фиг.1 и 2) и устанавливается еще до окончания нулевого интервала. Время установления в любом случае составляет Т, и уже на первом интервале наблюдается установившийся сигнал
i_c (1, t) = y_2c (1, t) + z_1c (1, t) +
+ w_1c (1, t)≡aT, то же происходит и на последующих интервалах
i_c (k, t) = y_1c (k, t) + z_2c (k, t) +
+ w_2c (k, t)≡aT.

На фиг.2, где x_c(t) - переменная величина, промежуточные сигналы второй группы изображены пунктирными линиями на тех же графиках, что и сигналы первой группы. Если на фиг.1 соответствующие сигналы разных групп не отличались по форме, то на фиг.2 они уже не повторяют друг друга.

Фиг. 1 и 2 иллюстрируют процедуру выполнения важнейшей операции (2). Представление обо всем способе выделения ортогональных составляющих в целом создает диаграмма на фиг.3, а также схема на фиг.4. На фиг.3 предполагается использование прямоугольных опорных ортогональных сигналов s и с, хотя они могут иметь и иную форму, например гармоническую или трапецеидальную. Кроме того, период опорных сигналов принят равным 2Т - периоду импульсных сигналов δ₁, δ₂, хотя первый и может быть меньше второго в целое число раз. На схеме предусмотрен генератор 33 опорных сигналов, воздействующий на умножители 22 и 32 совместно с сигналом i, пропорциональным входному току. Генератор 34 импульсных сигналов синхронизирован с генератором 33 опорных сигналов. На фиг. 3 предполагается, что импульсный сигнал δ₁ формируется по переднему фронту сигнала s, а δ₂ - по заднему фронту, что иллюстрируется подачей сигнала s на вход генератора 34.

Умножители 22 и 32 реализуют операции (1), (1,а), формируя мультипликативные сигналы х_с и х_s. Если преобразуется ток периодической формы той же частоты, что и опорные сигналы, то мультипликативные сигналы будут также периодическими, но двойной частоты, т.е. периода Т (фиг.3), а их постоянные составляющие совпадают с подлежащим выделению ортогональными составляющими входного тока. На фиг.4 показан канал выделения только одной составляющей i_с, хотя на фиг.3 приведены диаграммы операций выделения обеих составляющих i_с и i_s. Интегральные сигналы y_1c, y_2c формируются интеграторами 23 и 24, управляемыми импульсами δ₁, δ₂. По сигналу δ₁ интегратор 23 приводится в действие, а по сигналу δ₂ устанавливается на нуль. Для интегратора 24 сигналы δ₁ и δ₂ меняются местами.

Формирование прямоугольных сигналов z_1c, z_2c осуществляется блоками 25 и 26 аналоговой памяти (устройство выборки и хранения), управляемыми импульсными сигналами δ₁, δ₂. По сигналу δ₂ блок 25 фиксирует мгновенное значение на своем входе и в дальнейшем хранит его, а по сигналу δ₁ устанавливается на нуль. Блоком 26 импульсные сигналы управляют в иной последовательности.

Инверсные сигналы w_1c, w_2c формируются блоками 27 и 28 задержки на время Т и инверторами 29 и 30. Так как сигналы w_1c, w_2c повторяют с изменением знака ранее сформированные интегральные сигналы y_1c, y_2c, то блоки 27 и 28 и интеграторы 29 и 30 в управлении от генератора 34 не нуждаются. Заключительная операция формирования сигнала i_с, идентифицируемого с ортогональной составляющей входного сигнала, реализуется сумматором 31. Хотя на его вход поступают шесть сигналов, фактически в каждый момент времени происходит сложение только трех из них, так как в трех других в это время наблюдается пауза. Время установления ортогональных составляющих определяется инерционностью основной операции интегрального преобразования и составляет Т вне зависимости от момента короткого замыкания t_к.з.

Предшествующий (доаварийный) режим сказывается на ортогональных составляющих только указанное время Т. После фиксации изменения режима в момент t_к.з от влияния предшествующего режима можно избавиться, синхронизируя с этим моментом импульсные сигналы.

Максимально возможная частота опорных сигналов, применяемых для выделения ортогональных составляющих, должна совпадать с реальной или номинальной частотой сети, такова же и максимально возможная частота опорных и импульсных сигналов. Таким образом, быстродействие способа составляет полпериода частоты сети. Способ абсолютно устойчив при минимально необходимом для выделения ортогональных составляющих числе операций. При реализации на элементах цифровой техники формирование промежуточных сигналов, кроме интегральных, не связано с арифметическими операциями. Интегральные же сигналы требуют только одного сложения на шаге. И еще два сложения требуется для наложения интегральных, прямоугольных и инверсных сигналов. Таким образом, способ предполагает всего три сложения на каждом интервале дискретизации.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ОРТОГОНАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, по которому преобразуют ток путем умножения на два опорных ортогональных сигнала в два мультипликативных сигнала, а каждый мультипликативный сигнал преобразуют путем интегрирования на непрерывно смещаемом интервале времени заданной продолжительности в соответствующую ортогональную составляющую, отличающийся тем, что путем деления частоты опорных ортогональных сигналов формируют два импульсных периодических сигнала, разнесенных во времени на половину своего периода, и по импульсам указанных сигналов преобразуют каждый мультипликативный сигнал в три пары промежуточных сигналов: интегральных, прямоугольных и инверсных сигналов, причем интегральный сигнал формируют путем интегрирования мультипликативного сигнала от момента поступления импульса одного импульсного сигнала и установки на нуль по импульсу другого импульсного сигнала, прямоугольный сигнал формируют в паузах соответствующего интегрального сигнала путем фиксации его уровня перед установкой на нуль, инверсный сигнал формируют путем инвертирования и смещения на полпериода соответствующего интегрального сигнала и каждый выходной сигнал получают путем суммирования шести соответствующих промежуточных сигналов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиксируют момент возникновения короткого замыкания и синхронизируют первый импульсный сигнал с указанным моментом.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что частоту импульсных сигналов принимают равной частоте опорных ортогональных сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4