Устройство для выделения ортогональных составляющих электрических величин

(5)5 Н 01 2,НО ИСАНИЕ ИЗС)БРЕТЕНИ ртого- орных ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Чувашский государственный университет им,И,Н.Ульянова и Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институтрелестроения(72) Ю.Я.Лямец и В.И,Антоновф 3) 621.316.925 (088.8)фб) Шнеерсон Э.М. Дистанционные защиты, М.: Энергоиздат, 1986,Авторское свидетельство С РМ 1356106, кл. Н 02 Н 3/40,Н 01 Н 83/22, 1987.Авторское свидетельство СССРМ. 1660067, кл. Н 02 Н 3/16, 1988.Адаптивные фильтры.( Пер, с англ,)/Подред. К.Ф,Н,Коуэна и П.М.Гранта, М.: Мир,1988,Чураков Е,П. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Энергоатомиздат, 1987,Жоу Ичжан, Ху Юйэнь, Фэн В,С, Новаяреализация устройства для решения теплицевых систем на конвейерном принципе.ТИИЭР, 1986, т.74, М 10, с,189. Изобретение относится к электротех ке, а именно к релейной защите и авто тике электрических систем.Измерительные органы релейной защиты за редким исключением реагируют на основные гармоники напряжения и тока. Весьма эффективным оказалось представление основнойгармоники парой сигналов - ортогональными составляющими,Известно устройство выделения о нальных составляющих с помощью оп ортогональных сигналов.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ОРТО ГОНАЛ Ь Н ЫХ СОСТАВЛ Я Ю ЩИХ ЭЛ Е КТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН(57) Использование: выделение с повышенной разрешающей способностью принужденных составляющих электрических величин для измерительных органов устройств релейной защиты и автоматики энергосистем. Сущность изобретения: введение в устройство первого и второго сумматоров, порогового элемента, амплитудного и фазового детекторов и фазосдвигающего элемента позволяет исключить необходимость предварительного подавления полезного сигнала, 1 ил. Эти сигналы перемножаются с входной величиной, а ортогональные составляющие отфильтровываются затем из полученных произведений, для чего используются фильтры нижних частот,В переходных процессах, протекающих в электрических сетях, присутствуют неизвестные заранее свободные слагаемые, подавление которых будет тем лучше, чем выше инерционность указанных фильтров, т.е. в данном устройстве остро проявляется противоречие ме)кду избирательностью к10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 основной частоте и быстродействием, Для надежной работы устройств, в состав которых входят фильтры с постоянными параметрами, при интенсивных переходных процессах в дальних электропередачах требуется время наблюдения процесса до двух периодов (40 мс) промышленной частоты Ьом = 50 Гц, а при частоте собственных колебаний системы, близкой к 1 ном (б 5-75 или 25-35 Гц), требуется и более продолжительное время.Известно устройство выделения ортогональных составляющих, в котором принципиально более высокая разрешающая способность (меньшее время наблюдения) достигается за счет адаптации к виду слагаемых свободного процесса, воспринимаемых в совокупности в качестве помехи, Адаптация заключается в специфической настройке на слагаемые и завершается их подавлением, Входящий в состав этого устройства адаптивный фильтр выполнен в виде задающего блока и первого цифрового фильтра. Устройство содержит также второй цифровой фильтр, генератор ортогональных сигналов, масштабирующий элемент и блок формирования ортогональных составляющих,Кроме того, в устройство входит заграждающий фильтр, помещенный непосредственно на его входе и предназначенный для подавления сигнала (основной гармоники) электрической величины. Это предварительное подавление защищает полезный сигнал от последующего подавления настраивающимся на помеху адаптивным фильтром. Подобное решение позволяет не учитывать строго частоту основной гармоники,Недостаток этого устройства заключается в том, что время действия заграждаю- щего фильтра входит в общее время наблюдения, а потому увеличивает его,Цель изобретения - повышение разрешающей способности устройства выделения оргогональных составляющих, т.е, сокращение необходимого для их выделения времени наблюдения переходного процесса в электрической сети.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для выделения ортогональных составляющих, содержащее адаптивный фильтр, второй цифровой фильтр, генератор ортогональных сигналов, масштабирующий элемент и блок формирования ортогональных составляющих, дополнительно введены первый и второй умножители, первый и второй сумматоры, пороговый элемент, амплитудный и фазовый детекторы и фазосдвигающий элемент, задающий блок выполнен с четырьмя входами и шестью выходами, причем первый, второй, третий и четвертый выходы задающего блока подключены к задающим входам первого и второго цифровых фильтров, а пятый и шестой выходы подключены к одним входам первого и второго умножителей, к другим входам которых подключены выходы генератора ортогональных сигналов, подключенные также к первому и второму входам задающего блока, третий вход которого объединен с основным входом первого цифрового фильтра и подключен к клемме для соединения с входом устройства, выходы первого,и второго умножителей подключены к входам первого сумматора, подключенного выходом к основному входу масштабирующего элемента и одному входу второго сумматора, к другому входу которого подключен выход первого цифрового фильтра, выход второго сумматора подключен через пороговый элемент к третьему входу задающего блока, выход масштабирующего элемента подключен к основному входу фазосдвигающего элемента,. подключенного выходом к основному входу блока формирования ортогональных составляющих, к управляющим входам которого подключены выходы генератора ортогональных сигналов, один из выходов которого подключен также к одном входу фазового детектора и к входу амплитудного детектора, выход которогоподключен к управляющему входу масштабирующего элемента, а выход фазового детектора подключен к управляющему входуфазосдвигающего элемента,Принципиальное отличие предлагаемого устройства от известных адаптивныхфильтров заключается в ином подходе к заданию полезного (стандартного, обучающего) сигнала. В обычных адаптивныхфильтрах этог сигнал известен, в предлагаемом устройстве задается только его частота, а остальные параметры - ортогональныесоставляющие - формируются специальным образом наравне с адаптивными коэффициентами цифрового фильтра,На чертеже приведена принципиальнаясхема устройства,Устройство для выделения ортогональных составляющих электрических величинсодержит адаптивный фильтр 1, включающий в свой состав задающий блок 2 и первый цифровой фильтр 3, второй цифровойфильтр 4, генератор 5 ортогональных сигналов, масштабирующий элемент 6, блок 7формирования ортогональных, оставляющих, первый 8 и второй 9 умножители, первый 10 и второй 11 сумматоры, пороговыйэлемент 12, амплитудный детектор 13, фазо(3) вый детектор 14, фазосдвигающий.элемент15.В состав цифрового фильтра 3 входятэлементы 16-18 задержки, умножители 1921 и многовходовый сумматор 22. 5Цифровой фильтр 4 состоит из аналогичных элементов, но включены фильтры 3и 4 по-разному; основной вход фильтра 3подключен к клемме 23 для соединения свходом устройства, а основной вход 24 10фильтра 4 - к генератору 5 ортогональныхсигналов. Задающие входы фильтров 3 и 4подключены к верхним выходам 25-27 задающего блока 2. Нижние (дополнительные)его входы 28 и 29 задают сигналы умножителям 8 и 9. Пороговый элемент 12 воздействует на вход 30 пуска задающего блока 2.Масштабирующий 6 и фазосдвигающий 15блоки выполнены с задающими входами 31и 32 соответственно. Блок 7 формирования 20ортогональных составляющих выполнен сосновным входом 33, управляющими входами 34 и 35 и двумя выходами 36 и 37, являющимися выходами всего устройства,Управляют этим фильтром выходы 38 и 39 25генератора 5.Блоки устройства имеют следующеефункциональное назначение,Цифровые фильтры 3 и 4 осуществляютнерекурсивное преобразование своих входных сигналов. Так, если на вход 23 поступает сигнал ц(1), где- дискретное время, тона выходе 40 образуется сигнал щ -ч(1) = ц(1) - ,. агц(1 - в + )где в - порядок фильтра, рекурсивно наращиваемый, Генератор ортогональных сигналов 5 формирует на своих выходах 38 и 39сигналы созеО и зи а 1, где а = 2 л/й, й -число выборок на периоде частоты сети 10.Цифровой фильтр 4 включен на сигналсоз а 1, и сигнал на его выходе 41 е -чф) = соз а 1 - , а;соз а (1 - в + 1),=о С равным основанием фильтр 4 может бытьподключен и к выходу 39 генератора 5 (ксигналу з 1 и а 1). Задающий блок 3 формирует на своих верхних выходах 25-27 величины а, а на нижних 28, 29 - пару предварительных ортогонэльных составляющих ц и ц 2 . Нэ Входы сумматора 11 от умножителей 8 и 9поступают сигналы ц соз а 1 и ц 2 зи а,образующие на его выходе гармоническийсигнал 9 (1) = цсоз а + ц 2 з 1 и а 1. В сумматоре 10 этот сигнал вычитается изч(1), и на пороговый элемент 12 поступаетразностный сигнал который в данном устройстве воспринимается как помеха (невязка); пороговый элемент 12 реагирует на его уровень, Задающий блок 2 по сигналу порогового элемента 12, поступившему, допустим, в момент= О, набирает в + и + 1 отсчетов входной величины ц(1), а также по и + 1 отсчетов опорных сигналов соз а 1, зи а 1. Получаемую им информацию можно представить в виде матрицы соза в з 1 и а в ц(0) ц(1) ц(в)А = соза(в+1) з 1 и а(в+1) ц(1) ц(2) ц(в) соза(в+и) зиа(р+и) ц(и) ц(и+1) ц(в+и) Ь =- ц(в), ц(в+1) ц(в+и) где Т - индекс транспонирования,Задача задающего блока 2 - определениевектора параметров х - ц, ц 2, ао, аап-) Для этого он осуществляет одну из следующих матричных операций: или, если известна ковариационная матрица Йз сигнала з(1), то Отсюда следует, что задающий блок 2 представляет собой процессор; предназначенный для решения системы линейныхалгебраических уравнений по методу наименьших квадратов или инымметодам, Подобные специализированныепроцессоры выполняются в виде отдельныхинтегральных микросхем.(4),50соз а 3 и а ц(0А = ссс 2 а в 1 п 2 а и(1 созЗа з 1 пЗа ц(2 тогда з(1) - = 0 приа. Амплитудный детектор 13 выделяет амплитуду сигнала, поступающего на его вход, а фазовый детектор 14 - разность фаз сигналов на выходе и входе цифрового фильтра 4; Масштабирующий блок 6 изменяет свой входной сигнал обратно пропорционально сигналу, поступающему на задающий вход 30. Фазосдвигающий элемент 15 уменьшает фазу своего входного сигнала на угол, задаваемый сигналом на входе 32, Блок формирования ортогональных составляющих 7 обладает свойством выделять величины ц 1 и ц 2 в поступающем на его вход гармоническом сигнале д(1) = ц 1 соз а 1+ цгзи а 1,Предположим, что на вход 23 данного устройства подана электрическая величина ц(1) = цест + цсв(1), состоящая из установившейся гармонической величины цуоме(1) = двх(1) = ц 1 вхСОз а 1+ цгвхЗи а 1 и из свободной величины Ррцсв = Овр е з 1 п(Р 1 р 1+ фр),где у = а /1 о, Цифровой фильтр 3 настроится на величину ц(1) не сразу, пока этого не произойдет, сигнал д(1) будет не в состоянии скомпенсировать сигнал ч(1), вследствие чего их разность з(1) будет высокого уровня, Поступая на вход порогового элемента 12, сигнал з(1) приведет к его срабатыванию и тот своим выходным сигналом запустит задающий блок 2, который приступит к формированию матрицы А и вектора Ь отсчетов входной величины, делая это для заданного начального значения гп, Если принимается гп = 1, то тем самым предполагается, что цсв(1) может состоять из единственной экспоненты, т,е. ожидаемый состав входной ве- личины Значение и всегда выбирается с таким расчетом, чтобы число уравнений в системе (3) было не меньше числа неизвестных (компоненты вектора х), равного гп + 2, как минимум и = гп + 1, Так, при гп = 1 и и = 2 задающий блок 2 набирает следующие данные: Определяя по алгоритму (1) или (2) вектор х = ц 1, цг, ао, блок 2 выставляет наТ5 своем выходе 25 сигнал ао, на остальныхверхних выходах 26 и 27 - нулевые сигналы, а на нижних выходах 28 и 29 - сигналы ц 1 и ц 2. Цифровой фильтр 3, на умножитель 19 которого поступил сигнал ао, приобретает 10 способность подавлять свободную слагаемую входной величины, имеющую в данном случае коэффициент затухания Р, Для пояснения заметим, что алгоритм (1) обладает свойством доставлять минимум квадратиче скому функционалу невязки 20 Подставляя (4) в уравнение цифрового фильтра 3 первого порядка получим выражение его выходного сигнала 30 где Явых(1) = Явх - аоЯвх(1-1),Р - Рцов,вых(1) = Ов(1 - ао е ) е Преобразованный полезный сигнал представляет собой гармонику Явых(1) = Ц 1 выхСОЗ а 1+ ЦгвыхЗ 1 П а 1 40со своими ортогональными составляющими Ц 1 вых И Цгвых, КРОМЕ СИГНаЛа а, ЗаДаЮЩИй блок 2 выставляет еще и сигналы ц 1, цг, которые поступают на умножители 8 и 9, перемножаются в них с сигналами генератора 5 и в составе сигнала дпоступают на вход сумматора 10, на выходе которого в результате образуется сигнал3 - (Ц 1 вых - Ц 1)СОЗ а 1+ (Ц 2 вых - Цг ) Х Р -Рх зи а 1+ Ов(1 - ао е ) е откуда следует, что минимуму, притом абсолютному, функционала (5) отвечают следую щие сигналы задающего блока 2: ц 1 = ц 1 вых ц 2 = ц 2 вых до = Е(6)Аналогичная картина наблюдается и при более сложной свободной слагаемой цов(1), различие состоит только в том, что для подавления большего числа слагаемых требуется большее число элементов задержки 16-18 или более высокий порядок гп фильтра 3. В подобной ситуации устройство постепенно наращивает величину а. Допустим, что при начальном значении порядка п 1 = 1, получив информацию из четырех отсчетов входной величины ц и определив по ним тРИ ПаРаМЕтРа Ц 1, Ц 2 И ао, УСтРОйСтВО ОбНаружит, что 1 звор, где зср - уставка порогового элемента 12. Оно расценит этот факт в том смысле, что цифровой фильтр 3 должным образом пока еще Не настроен и следует нарастить его порядок, перейдя к п 1 = 2. Задающему блоку 2 понадобится еще минимум два отсчета входной величины (ц(4) и ц(5, Получив их, он выполнит преобразования (1) или (2), выставив в результате новые выходные сигналы в виде нового вектораХ = Ц 1, Ц 2, ао, а 1),т При этом, в частности, вместо прежнего нулевого сигнала на выходе 26 появится ненулевой сигнал а 1.Процесс повышения порядка п 1 завершится тогда, когда при всех= е - . (п 1 + и) сигнал невязки з(1) на выходе сумматора 10 будет иметь низкий уровень, так что з(1) 1вор. Тогда пороговый элемент 12 вернется в исходное состояние, сняв пусковой сигнал с входа 30 задающего блока 2, который приостановит наращивание порядка фильтра 3, Выходные сигналы блока 2 при этом сохранят свои прежние значения,Второй цифровой фильтр 4, равно как иблоки 6, 13, 14 и 15, в данном устройстве работает постоянно, но фактически начинает играть свою роль после завершения настройки фильтра 3, Назначение всех этих блоков заключается в преобразовании выходных величин ц, ц 2 на выходах 28 и 29 блока 2 в величины ц 1 и ц 2, предположительно равные искомым ортогональным состав- ЛЯЮЩИМ Ц 1 вх, Ц 2 вх. ТаК КаК В СООтВЕтСтВИИ С принципом действия устройства по завершению настройки должно выполняться ра- ВЕНСтВО(6), тО Ц 1 вх И Ц 2 вх МОЖНО ОбНаРУжИтЬ, как бы пРопУскаЯ сигнал д(1) = Явых чеРез цифровой фильтр в обратном направлениии полУчаЯ в итоге сигнал 9 вх(1). ПосколькУ всеэти сигналы являются гармониками частоты Ь, то упомянутое преобразование можно осуществить с помощью масштабирующего 6 и фазосмещающего 15 блоков, общая передаточная функция которых имеет вид25 30 35 40 45 50 55 5 10 15 20 1/Н(1 о)где Н(1 о)ехр) д 7(1 о) - передаточная функция цифрового фильтра 3, Сигнал Явх(1) можно ЗаПИСатЬ В ВИДЕ КОМПЛЕКСа 9 вх = Ц 2 + )Ц 1. После прохождения через цифровой фильтр 3 он будет преобразован в Явых = ц 2 вых+ )ц 1 вых = Н(то)Явх По завершении настройки цифрового фильтра 3 на выходе сумматора 11 появляется сигнал 9 = ц 2 + ) ц 1, В соответствии сс Юпринципом действия устройства,д =9 вых, откудаЯ = Я /Н(то) = Явых/Н(то) = 9 вх Следовательно, проходя через блоки 6 и 15, сигнал я(1) преобразуется в искомую величину - основную гармонику входной величины - полезный сигнал двх(1),Второй цифровой фильтр 4 получает от задающего блока 2 те же коэффициенты, что и первый фильтр 3. Такое дублирование связано с необходимостью в отдельной схеме для определения передаточной функции Н(то), Поскольку фильтр 4 включен на нормированный гармонический сигнал, то амплитуда его выходного сигнала, определяемая амплитудным детектором 13, есть Н(то), а разность фаз, устанавливаемая фазовым детектором 14, есть р(1 о). В совокупности блоки 13 и 14 определяют искомый комплекс Н(1 о) и передают его блокам 6 и 15 в виде инверсной величины 1/Н(1 о).Блок 7 формирования ортогональных составляющих выделяет из поступающей на его вход 33 гармонической величины 9(1) искомые параметры ц 1, ц 2, выдавая их на выходустройства, в соответствии с принципом действия которого их можно считать достоверными выходными сигналами лишь после возврата порогового элемента 12,Предлагаемое устройство выделяет основную гармонику переходного напряжения или тока за минимально возможное время. Его разрешающая способность ограничена исключительно шумами, присутствующими во входных величинах, а также возникающими в самом устройстве в процессе преобразования. Последние могут быть ослаблены увеличением разрядности цифрового фильтра. В целом же по сравнению с прототипом время действия устройства сокращается примерно на четверть периода и даже в условиях интенсивного переходного процесса оценивается одним полупериодом промышленной частоты,Формула изобретенияУстройство для выделения ортогональных составляющих электрических величин, содержащее адаптивный фильтр, выполненный в виде задающего блока и первого 5 цифрового фильтра, второй цифровой фильтр, генератор ортогональных сигналов, масштабирующий элемент и блок формирования ортогональных составляющих, отл ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения 10 разрешающей способности, дополнительно введены первый и второй умножители, первый и второй сумматоры, пороговый элемент, амплитудный и фазовый детекторы и фазосдвигающий элемент, а задающий блок 15 выполнен с четырьмя входами и шестью выходами, при этом первый, второй, третий и четвертый выходы задающего блока подключены к задающим в;одам первого и второго цифровых фильтров, пятый и шестой 20 выходы задающего блока подключены к одним входам первого и второго умножителей, к другим входам которых подключены выходы генератора ортогональных сигналов, подключенные также к первому и второму 25 входам задающего блока, третий вход которого объединен с основным входом первого цифрового фильтра и подключен к клемме для соединения с входом устройства, выходы первого и второго умножителей подключены к входам первого сумматора, подключенного выходом к основному входу масштабирующего элемента и одному входу второго сумматора, к другому входу которого подключен выход первого цифрового фильтра, выход второго сумматора подключен через пороговый элемент к третьему входу задающего блока, выход масштабирующего элемента подключен к основному входу фазосдвигающего элемента, подключенного выходом к основному входу блока формирования ортогональных составляющих, к управляющим входам которого подключены выходы генератора ортогональных сигналов, один из выходов которого подключен также к одному входу фазового детектора и основному входу второго цифрового фильтра, подключенного выходом к другому входу фазового детектора и входу амплитудного детектора, выход которого подключен к управляющему входу масштабирующего элемента, а выход фазового детектора подключен к управляющему вхо- ду фазосдвигающего элемента,