устройство для разделения составляющих тока короткого замыкания

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, содержащее адаптивный фильтр, выполненный в виде последовательно соединенных задающего блока, нерекурсивного фильтра, сумматора и порогового элемента, выход последнего подключен к управляющему входу задающего блока, первый вход которого является информационным входом устройства и соединен с параметрическим входом нерекурсивного фильтра и вторым входом сумматора, генератор периодического сигнала и амплитудно-фазовый корректор, выходная шина которого образует первую выходную шину, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем выделения основной гармоники и всех остальных слагаемых переходного процесса, дополнительно введены спектральный анализатор, последовательно соединенные генератор гармоник, вычислитель и вычислительный блок, последовательно соединеные решающий блок и логарифмический блок, при этом параметрический вход генератора периодического сигнала подключен к второму выходу задающего блока, выход - к инверсному входу сумматора и входу спектрального анализатора, выход которого подключен к управляющему входу амплитудно-фазового корректора, выход которого подключен к входу генератора гармоник, второй вход вычитателя соединен с первым входом задающего блока, к первому выходу задающего блока подключены входы амплитудно-фазового корректора и решающего блока, выход логарифмического блока образует вторую выходную шину и подключен к второму входу вычислительного блока, выход которого образует третью выходную шину.

Описание изобретения к патенту

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

Известно устройство для разделения периодической составляющей произвольной частоты и произвольной апериодической составляющей переходной электрической величины, например, тока короткого замыкания [1] . Однако оно не наделено способностью определять параметры этих составляющих.

Известно устройство для выделения ортогональных составляющих электрических величин. Оно правильно, т. е. без методической погрешности, выделяет основную гармонику на фоне произвольного числа неизвестных заранее экспоненциальных и гармонических (как затухающих, так и нет) составляющих. Устройство обязано такими свойствами адаптивному фильтру, включающему в свой состав задающий блок и сумматор, причем выход задающего блока выполнен в виде двух шин: шина коэффициентов устанавливает параметры нерекурсивного фильтра, а вторая шина управляет генератором периодического сигнала [2] . Но данное устройство обладает ограниченными возможностями: оно способно подавлять произвольные составляющие, но не в состоянии их выделять, выделяет же оно лишь гармонику одной наперед заданной частоты.

Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем придания ему способности выделять из тока короткого замыкания не только основную гармонику, но и все остальные слагающие переходного процесса.

Цель достигается тем, что в устройство для разделения составляющих тока короткого замыкания, содержащее адаптивный фильтр, выполненный в виде последовательно соединенных задающего блока, нерекурсивного фильтра, сумматора и порогового элемента, причем выход последнего подключен к управляющему входу задающего блока, первый вход которого является информационным входом устройства и соединен с параметрическим входом нерекурсивного фильтра и вторым входом сумматора, генератор периодического сигнала и амплитудно-фазовый корректор, выходная шина которого образует первую выходную шину, введены спектральный анализатор, последовательно соединенные генератор гармоник, вычитатель и вычислительный блок, последовательно соединенные решающий блок и логарифмический блок, при этом параметрический вход генератора периодического сигнала подключен к второму выходу задающего блока, а выход - к инверсному входу сумматора и входу спектрального анализатора, выход которого подключен к управляющему входу амплитудно-фазового корректора, выход которого подключен к входу генератора гармоник, второй вход вычитателя соединен с первым входом задающего блока, к первому выходу задающего блока подключены входы амплитудно-фазового корректора и решающего блока, выход логарифмического блока образует вторую выходную шину устройства и подключен к второму входу вычислительного блока, выход которого образует третью выходную шину.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - схема входящего в его состав нерекурсивного фильтра.

Устройство состоит из адаптивного фильтра 1, генератора 2 периодического сигнала, амплитудно-фазового корректора 3 и дополнительных блоков: спектрального анализатора 4, генератора 5 гармоник, вычитателя 6, логарифмического блока 7, решающего блока 8 и вычислительного блока 9. Адаптивный фильтр 1 состоит из задающего блока 10, нерекурсивного фильтра 11, сумматора 12 и порогового элемента 13. Устройство выполнено с тремя выходными шинами 14-16. По шине 14 выводится информация о параметрах установившейся периодической слагаемой, а по шинам 15, 16 - о параметрах переходящей слагаемой: по шине 15 - о коэффициентах затухания и частотах собственных колебаний, а по шине 16 - об амплитудах и фазах (или об ортогональных составляющих) экспонент и затухающих гармоник. Амплитудно-фазовый корректор 3 выполнен с информационным входом 17 и управляющим входом 18. Последние необходимы для задания частотной характеристики этого блока. Вычитатель 6 выполнен с двумя входами 19 и 20. Его функция - формировать разность между величинами, поступающими на вход 20 и вход 19. Вычислительный блок 9 выполнен с первым входом 21 и остальными входами, объединенными в шину 22. Задающий блок 10 выполнен с двумя выходами 23, 24. По первому передаются сигналы установки параметров блоков 11, 3 и 8, а по второй происходит задание периодического сигнала. Задающий блок 10 имеет два входа - информационный 25 и управляющий 26. Нерекурсивный фильтр 11 выполнен с информационным входом 27 и входами 28 задания параметров (коэффициентов). Сумматор 12 выполнен с тремя входами 29-31. Входы 20, 25, 27, 29 различных блоков объединены и подключены к входу 32 устройства. Нерекурсивный фильтр 11 выполнен на элементах 33-35 задержки, умножителях 36-38 и внутреннем сумматоре 39.

Между генератором 2 периодического сигнала и генератором 5 гармоник имеется отличие. Первый воспроизводит периодический сигнал, задаваемый одним периодом, а второй формирует периодический сигнал, задаваемый его гармониками.

Устройство представляет собой цифровую систему и функционирует в дискретном времени l. На его вход подаются отсчеты входной величины i(l), пропорциональной току короткого замыкания i(t), который состоит из установившейся (периодической) составляющей и свободной (затухающей) составляющей:

i(t) = i_o(t) + i_св(t); (1)

i_o(t) = i_o(tT_o); (2)

i_св(t)= exp t, (3) где Т_о - период основной частоты _o; = -_S+j_S комплексная частота; _S- коэффициент затухания; _S- частота собственных колебаний; s - комплексный множитель. Экспоненциальной составляющей в выражении (3) соответствуют вещественные параметры = -_S и = I_s. Отсчеты i(l) имеют описание, аналогичное выражениям (1) - (3):

i(l)= i_o(l) + ^l_S; (4)

i_o (l) = i_o ( lN ); (5)

= exp (6) где N - число отсчетов на периоде; = Т_о/N - интервал дискретизации.

Принцип действия устройства лучше всего иллюстрирует подход, основанный на понятии о производящем разностном уравнении

i(l)+ a_si(l-s)= i(l), (7) решение которого совпадает с описанием тока короткого замыкания (4). Проблема заключается в том, что в выражении (4) составляющая i_o(l) и параметры , , а также число m не известны, следовательно, и у производящего уравнения коэффициенты a_s, правая часть - периодическая функция i_o^l(l), а также порядок уравнения m.

Назначение адаптивного фильтра 1 - подавлять входную величину i(l). Его выходной величиной является сигнал (l) на выходе сумматора 12. Настройка адаптивного фильтра осуществляется по условию малости сигнала (l). Основную роль в процессе настройки играет задающий блок 10, определяющий параметры нерекурсивного фильтра 11 - коэффициенты a_s, а также N отсчетов периодического сигнала i_o^l(l). Сигналы a_s передаются по шине 23 на задающие входы 28 нерекурсивного фильтра 11, а отсчеты i_o^l(l) - по шине 24 на входы генератора 2, который затем воспроизводит их с периодом Т_о.

Нерекурсивный фильтр 11 (фиг. 2) смещает входную величину i(l) так, что на выходе его элемента 33 задержки образуется величина i(l-1), на выходе элемента 34 - i(l-2), а на выходе последнего элемента 35 задержки - величина i(l-m_ф), где m_ф - максимальный порядок, обеспечиваемый данным фильтром. Фактически порядок фильтра может быть любым - от m = 0 до m = m_ф, а реализуемая им функция

_o(l)= a_si(l-s) .

Если все коэффициенты a_s имеют нулевой уровень, то фильтр 11 имеет нулевой порядок, а если отличны от нуля m_ф коэффициентов a_s, то максимально возможный.

На входы сумматора 12 поступают три сигнала: входная величина i(l), входной сигнал фильтра 11 (l) и выходной сигнал генератора 2 i_o^l(l). Вход 31 выполнен инвертирующим, поэтому функция сумматора

(l)= i(l)+(l)-i(l)= -i(l)+i(l)+a_si(l-s). (8)

Настройка адаптивного фильтра 1 по условию малости сигнала(l)((l)_0) приводит выражение (8) к виду (7), т. е. означает, что фильтр 1 распознал структуру (4) - (6) тока короткого замыкания.

Задающий блок 10 выполняет следующие операции. Из отсчетов входной величины i(l), поступающей на его информационный вход 25, он формирует систему уравнений относительно отсчетов i_o^l(l) и коэффициентов a_s:

-i(l)+i(l-s)a_s= -i(l), l= . (9)

Всего в выражении (9) n - m + 1 уравнение. Предполагается, что l = 0 - начальный момент короткого замыкания; n - момент окончания набора данных о коротком замыкании. В выражении (9) N + m неизвестных, а число уравнений в общем случае больше, поэтому задающий блок 10 решает эту систему уравнений в смысле наименьших квадратов. Параметры i_o¹(l), l = , a_s, s = и сам порядок m, определяемые системой (9), отвечают условию малости сигнала (l), формируемого сумматором 12 согласно соотношению (8). Необходимо однако учесть, что задающий блок 10 способен скомпановать и решить систему (9) только при фиксированном порядке m, в связи с чем в схеме адаптивного фильтра 1 предусмотрено поэтапное (рекурсивное) наращивание m от нуля до максимально возможного m_ф. Эту функцию осуществляет пороговой элемент 13, реагирующий на уровень сигнала невязки (l). Задающий блок 10 наращивает порядок m лишь до тех пор, пока с его управляющего входа 26 не будет снят выходной сигнал порогового элемента 13.

Спектральный анализатор 4 выделяет гармоники периодического сигнала i¹₀(l), реализуя функцию

(k_o)= (2/N) i(l)exp(-jk_o-l), k= . (10)

Назначение амплитудно-фазового корректора 3 - преобразование гармоник (k_o) сигнала i₀^l(l) в гармоники периодической слагаемой входной величины

(k_o)= (k_o)/H(expjk_o). (10)

Передаточная функция H(expjk_o) задается в соответствии с взаимосвязью (7):

H(expjk_o)= 1+a_sexp(-jsk_o), k= . (12)

Все необходимые сигналы содержит выходная шина 23, подключенная к управляющему входу 18.

Назначение генератора 5 гармоник - формирование периодической величины i_o(l) по ее спектру (k_o):

i_o(l)= (k_o)exp(jk_o). (13)

Вычитатель 6 формирует разностную величину i(l) - i_o(l).

Решающий блок 8 представляет собой процессор, предназначенный для решения алгебраического уравнения, являющегося характеристическим уравнением адаптивного фильтра 1:

H(Z)= Z^m+ a_sZ^m-s= 0. (14)

Выходные сигналы этого блока совпадают с корнями , s = уравнения (14). Логарифмический блок 7 формирует сигналы о комплексных частотах

= (1/)ln = -_S+j_S. (15)

Вычислительный блок 9 формирует из сигналов i(l) - i_o(l) и систему линейных алгебраических уравнений относительно множителей свободных составляющих тока короткого замыкания:

= i(l)-i_o(l). (16)

Выходными сигналами устройства являются, таким образом, гармоники (k ), частоты и уровни экспонент , снимаемые соответственно с выходов 14, 15 и 16.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу пуска, свидетельствующему о коротком замыкании в электрической сети, задающий блок 10 приступает к настройке адаптивного фильтра 1. Начальный порядок m = 0. При этом сигналы, передаваемые по шине 23, имеют нулевой уровень, т. е. a_so = 0, где нулевой индекс относится к порядку фильтра. Сигнал (l) на выходе нерекурсивного фильтра 11 также нулевого уровня. По шине 24 передаются N отсчетов входной величины i(l). Поступая на вход генератора 2, они в дальнейшем повторяются с периодом N, преобразуясь тем самым в периодическую величину i_oo¹(l). Выходной сигнал сумматора 12 представляет собой разность _o(l) = i(l) - i_oo¹(l). Пороговой элемент 13, выполненный по схеме нуль-индикатора, сравнивает модуль | ( l ) | с уставкой. Если модуль превышает уставку, что может произойти уже в момент l = N, пороговый элемент 13 срабатывает и, воздействуя на управляющий вход 26 задающего блока 10, побуждает его перейти к следующему порядку m = 1. Блок 10 сформирует из отсчетов входной величины i(l) систему уравнений (9):

-i(l)+i(l-1)a₁₁= -i(l), l= и определяет из нее N отсчетов i_о(l) и коэффициент a₁₁. На умножитель 33 нерекурсивного фильтра 11 при этом поступает ненулевой сигнал, а на все прочие умножители 34, 35 - по-прежнему нулевые. Соответственно на выходах сумматоров 39 и 12 появляются сигналы.

₁(l)= a₁₁i(l-1); ₁(l)= i(l)+a₁₁i(l-1)-i(l).

Если в составе тока короткого замыкания присутствует помимо периодической слагаемой i_o(l) только одна вещественная экспонента, I₁exp( -₁t), то порядка m = 1 достаточно для сведения к нулю уровня сигнала ₁(l). Если состав свободной слагаемой тока короткого замыкания более сложен, то уровень сигнала ₁(l) остается высоким, происходит новое срабатывание порогового элемента 13 и очередной запуск задающего блока 10, наращиваемого порядок до m = 2. Процесс настройки адаптивного фильтра 1 продолжается до тех пор, пока сигнал (l) не будет сведен к нулевому уровню. По завершении настройки становятся достоверными выходные сигналы остальных блоков, действующих по алгоритмам (10) - (16).

Устройство свободно от методической погрешности, так как при конечном числе экспонент и затухающих гармоник в составе тока короткого замыкания все их параметры определены точно при строго определенном порядке адаптивного фильтра, причем число составляющих и их характер заранее не известны. В частных случаях, когда требуется какая-нибудь одна группа параметров, устройство упрощается. Так, для релейной защиты, как правило, достаточно знания только периодической слагаемой тока. Тогда нет необходимости в блоках 5-9. Для измерительных органов частоты достаточно иметь выход 15 и можно исключить блоки 3-6, 9. В целом устройство охватывает все известные применения, связанные с анализом состава тока короткого замыкания.