Способ определения частоты электрической сети

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите и противоаварийной автоматике электроэнергетических систем. Цель изобретения - упрощение способа определения частоты электрической сети в условиях переходного процесса. Способ определения частоты электрической сети заключается в преобразовании входной величины в цифровой сигнал, настройки адаптивного фильтра на подавление указанного сигнала, определении собственных частот указанного адаптивного фильтра и выбора из них частоты сети. Новым в способе является применение итерационной процедуры измерения частоты сети, состоящей из операции предварительного подавления в сигнале высших гармоник той частоты, которая была измерена ранее, и очередного измерения частоты. Начальное значение частоты принимают равным номинальному значению. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и противоаварийной автоматике электроэнергетических систем, и может быть использовано для анализа аварийных и анормальных режимов.

Изменение частоты в энергосистеме представляет серьезную опасность и может привести к полному расстройству ее работы. Поэтому контроль частоты в электроэнергетической системе является актуальной задачей.

Известные способы определения частоты электрической сети основаны на свойстве изменения фазы тока при изменении частоты контролируемого напряжения [1] или на сравнении измеряемой частоты с известной (образованной) частотой [2]. Они обладают высокой точностью только в условиях установившегося режима электрической сети. В условиях же интенсивного переходного процесса названным способам присуща существенная погрешность из-за наличия в контролируемой величине экспонент и затухающих гармоник свободного процесса.

Известен способ определения частот сигналов в электрической сети, основанный на спектральном анализе переходного процесса, например, тока короткого замыкания, реализованный в [3] и изложенный в полном объеме в [4]. При этом преобразуют входную величину i(t) в цифровую форму i(l), l = ent(tf_д) - дискретное время, f_д - заданная частота дискретизации, и настраивают цифровой адаптивный нерекурсивный фильтр на подавление входной величины. Это операция эквивалентна обратному моделированию (синтезу) разностного параметрического уравнения электрической сети, решение которого совпадает (в смысле наименьших квадратов отклонений) с входной величиной i(t). Частоты и затухания отдельных компонентов переходного процесса определяются как результат логарифмирования корней характеристического уравнения полностью настроенного адаптивного фильтра.

Этот способ достаточно сложен, так как определяют все гармоники установившейся слагаемой переходного процесса наравне с компонентами свободной слагаемой путем подавления и тех, и других. Процедура настройки адаптивного фильтра сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений, вычислительная сложность которой пропорциональна квадрату числа m настраиваемых коэффициентов a_s, , m = 2d + c, где d = d_св + r - число гармоник (в общем случае затухающих) с заранее неизвестными частотами, d_св и c - число гармоник и соответственно экспонент в составе свободной слагаемой переходного процесса, r - число гармоник в составе установившейся слагаемой переходного процесса. В результате порядок адаптивного фильтра увеличивается на 2r и, как следствие, усложняется его настройка.

Цель изобретения - упрощение способа определения частоты электрической сети в условиях переходного процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения частоты электрической сети путем преобразования входной величины в цифровой сигнал, настройки адаптивного фильтра на подавление указанного сигнала, определения собственных частот настроенного адаптивного фильтра и выбора из них частоты сети, цифровой сигнал предварительно пропускают через заграждающие фильтров высших гармоник устанавливаемой частоты, предварительно приняв ее равной номинальной частоте, и через адаптивный фильтр измеряемой частоты с заданными коэффициентами децимаций n, настраивают последний на подавление своего входного сигнала, определяют частоты собственных колебаний адаптивного фильтра, выделяют измеряемую частоту, определяют расхождение измеряемой и установленной частот и установкой и при превышении уставки, задают устанавливаемую частоту равной измеренной частоте, указанный процесс повторяют в той же последовательности вплоть до понижения уровня расхождения измеренной и установленной частот относительно уставки и принимают частоту сети, равной последнему значению измеренной частоты. При этом для подавления высших гармоник устанавливаемой частоты могут использоваться нерекурсивные фильтры второго порядка.

i'(l) = i(l) + b_qi(l-1) + i(l-2), , где q - номер подавляемой высшей гармоники устанавливаемой частоты . Адаптивный фильтр может быть выполнен в следующей форме , где a_s - настраиваемые по условию малости выходного сигнала ε(l) коэффициенты.

Коэффициенты децимации заграждающих и адаптивного фильтров могут быть определены из расчета n = f_д/(4f_н), где f_н - номинальная частота сети.

В процессе выполнения способа понижается уровень неинформационных компонентов (высших гармоник установившейся слагаемой) входной величины i(l). Этим повышается отношение полезный сигнал/шум и снижается в итоге требуемый порядок адаптивного фильтра. Как следствие, повышается и точность конечного результата.

Способ иллюстрируется фиг. 1-3. На фиг. 1 показана структурная схема реализации способа; на фиг. 2 - заграждающий фильтр устанавливаемой частоты; на фиг. 3 - адаптивный фильтр измеряемой частоты.

На иллюстрациях изображены: блок памяти 1, заграждающие фильтры 2-3, адаптивный фильтр измеряемой частоты 4, управляющий блок 5, элементы задержки 6-9 и 12-17, умножители 10 и 18-20, сумматоры 11 и 21, задающий блок 22, решающий блок 23, логарифмический блок 24 и селектор частоты 25.

По предлагаемому способу все операции совершаются в дискретном времени l. Сначала формируют отсчеты тока короткого замыкания i(l) и фиксируют их в памяти 1. Имеется в виду, что в составе тока короткого замыкания присутствуют установившаяся i_у(l) и свободная i_св(l) слагаемые:
,
,
где
- комплексные множители, f - основная сетевая частота, - комплексная частота, β_s - коэффициент затухания, f_s - частота собственных колебаний, m_св = c + 2d_св - число спектральных компонентов в составе свободной слагаемой переходного процесса.

Предлагаемый способ основан на следующих теоретических положениях.

1. Способность цифрового адаптивного нерекурсивного фильтра (3), настраиваться на полное подавление экспоненциально - гармонических сигналов типа (2, 3), что адекватно способности распознавать их состав [4].

2. Общие свойства цифровых систем - периодичность частотной характеристики H(Jf) = H(J(f+f_д)) и четность ее модуля [5]. Это позволяет за счет уменьшения частоты дискретизации (децимации) f'_д = f_д/n, дополнительно подавлять высшие гармонические составляющие во входной величине.

Способ определения частоты электрической сети реализуется последовательностью операций, иллюстрируемой схемой фиг.1. Предварительно в управляющий блок 5 заносят исходное значение устанавливаемой частоты, равное номинальной частоте . Проводят операцию подавления во входном сигнале i(l) всех высших гармоник устанавливаемой частоты . Эту операцию осуществляет каскадное соединение нерекурсивных цифровых заграждающих фильтров 2-3. При несовпадении оценки частоты с ее реальным значением f такая операция хотя и не подавит, но все же ослабит влияние высших гармоник в токе короткого замыкания и упростит выполнение следующей операции - формирование уточненного значения сетевой частоты .

Эта операция осуществляется адаптивным фильтром измеряемой частоты 4. Она сводится к следующей последовательности действий.

1. Настройка нерекурсивного фильтра (3) порядка m = m_св + 2, на подавление величины i'(l) подбором коэффициентов a_s. Эти коэффициенты вырабатываются задающим блоком 22 на основе обеспечения критерия.

.

При наличии в составе величины i'(l) не полностью подавленных высших гармоник нули частотной характеристики настроенного по (8) адаптивного фильтра окажутся смещенными относительно реальных частот. Величина смещения определяется уровнем неучтенных в структуре адаптивного фильтра высших гармоник.

2. Измерение собственных частот настроенного адаптивного фильтра как результата вычисления корней его характеристического уравнения
,
с последующим логарифмированием
.

3. Выбор из найденных частот p_s уточненной оценки частоты сети из условия
.

Заключительная операция предлагаемого способа определения частоты электрической сети - проверка условия завершения процесса итерации измерения частоты
,
где
δ - заданная уставка.

Эта операция осуществляется в управляющем устройстве 5. По результату ее выполнения управляющим устройством или вырабатываются сигналы, обеспечивающие повторение приведенных выше операций, или принимается решение об их окончании и выдаче значения частоты электрической сети f, равного последнему измеренному значению .

Операция подавления высших гармоник устанавливаемой частоты может быть осуществлена каскадным соединением цифровых нерекурсивных фильтров второго порядка типа (1). Такие фильтры обладают способностью полностью подавлять частоты . Заграждающие фильтры выполняются на элементах задержки 6-9, умножителе 10 и сумматоре 11. Коэффициенты b_q в (2) формируются управляющим устройством 5.

Для дополнительного подавления неинформационных компонентов входной величины адаптивный фильтр измеряемой частоты 4 (фиг. 3) реализуют с использованием эффекта децимации согласно (3). Используют элементы задержки 12-17, умножители 18-20, сумматор 21. Настройка фильтра на подавление входной величины i'(l) осуществляется задающим блоком 22 по критерию (8). Определение собственных частот адаптивного фильтра как решение алгебраического уравнения (9) осуществляется решающим блоком 23, операция (10) - логарифмическим блоком 24, операция выбора новой оценки частоты сети (11) - селектором 25.

Коэффициент децимации при выполнении приведенных ранее условий определяют согласно выражению (4). Это позволяет ограничиться для подавления четных высших гармоник устанавливаемой частоты одним заграждающим фильтром типа (1) с q=2 в (2). Для подавления нечетных высших гармоник с частотами ограниченными частотой Найквиста f_д/2 потребуется соответствующее им число фильтров (1) с параметрами q=3, 5,... и n=1 в (2).

Таким образом, в результате упрощения состава переходного тока короткого замыкания обеспечивается упрощение процесса измерения сетевой частоты, так как используется адаптивный фильтр относительно низкого порядка m_св+2 (а не m_св+2r как в прототипе). Сходимость процедуры подтверждена результатами моделирования на ЭВМ. В таблице в качестве примера обработки тока короткого замыкания
,
приведены результаты такого моделирования. Даны значения амплитуд гармоник установившейся слагаемой переходного процесса на выходе последнего заграждающего фильтра (на входе адаптивного фильтра).

Как видно из таблицы, способ не требует большого числа измерений, уже на второе измерение дает практически точный результат.

В свободной слагаемой тока присутствовали экспонента и затухающая гармоника. Для достижения результата оказался достаточным адаптивный фильтр пятого порядка (m = m_св + 2 = 5). Для достижения же аналогичного результата по способу, предложенному в прототипе, потребуется адаптивный фильтр порядка m = m_св + 3r = 9.

Источники информации.

1. Беркович М.А., Комаров А.Н., Семенов В.А. Основы автоматики энергосистем. М.: Энергоиздат. 1981. 433 с.

2. Измерения в электронике: справочник. Под ред. Кузнецова А.В. М.: Энергоатомиздат. 1987. 512 с.

3. ПР по заявке 4929176/07 от 30.01.92, а.с. N 2012086. Устройство для разделения составляющих тока короткого замыкания.

4. Лямец Ю.Я., Антонов В.И., Арсентьев А.П. Спектральный анализ переходных процессов в электрических сетях. Известия РАН. Энергетика. 1992, N 2, с. 31-43 (прототип).

5. Цифровая обработка сигналов: учебное пособие для вузов. Гольденберг Л. М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. 256 с.

Формула изобретения

Способ определения частоты электрической сети путем преобразования напряжения или тока с постоянной частотой дискретизации в анализируемый сигнал, спектрального анализа указанного сигнала путем настройки адаптивного фильтра на его подавление, определения собственных частот настроенного адаптивного фильтра и выделения измеряемой частоты путем отбора из множеста указанных собственных частот той частоты, что наиболее близка к номинальной частоте, отличающийся тем, что преобразование напряжения или тока осуществляют в два этапа, на первом выполняют аналого-цифровое преобразование напряжения или тока в цифровой сигнал, а на втором - преобразование цифрового сигнала в анализируемый сигнал путем подавления частот, кратных задаваемой частоте, определяют расхождение измеряемой и задаваемой частот, сравнивают его с уставкой и, если оно превосходит уставку, принимают задаваемую частоту равной измеряемой частоте и повторяют указанный процесс в той же последовательности, а если оно уступает уставке, полагают частоту сети равной измеряемой частоте, причем исходное значение задаваемой частоты принимают равным номинальной частоте сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4