Устройство для выделения ортогональных составляющих электрических величин

 

СОЮЗ COB ETC КИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР ю» $" ) ",) 2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4703209/07 (22) 08.06.89 (46) 30.06.92. Бюл. ¹ 24 (71) Чувашский государственный университет им,И,Н.Ульянова и Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения (72) Ю.Я.Лямец и В.И,Антонов (ЬЗ) 621.316.925 (088.8) фб) Шнеерсон Э.М. Дистанционные защиты, М.: Энергоиздат, 1986.

Авторское свидетельство СССР

N1356106,,кл. Н 02 Н 3/40, Н 01 Н 83/22, 1987.

Авторское свидетельство СССР

N 1660067, кл. Н 02 Н 3/16, 1988.

Адаптивные фильтры.(Пер. с англ.)! Под ред. К.Ф.Н,Коуэна и П.М.Гранта, M.: 1У1ир, 1988.

Чураков Е,П. Оптимальные и адаптивные системы. M.: Энергоатомиздат, 1987, Жоу Ичжан, Ху Юйэнь, Фэн В,С, Новая реализация устройства для решения теплицевых систем на конвейерном принципе.

ТИИЭP. 1986, т.74, ¹ 10, с.189.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике электрических систем.

Измерительные органы релейной защиты за редким исключением реагируют на основные гармоники напряжения и тока.

Весьма эффективным оказалось представление основной гармоники парой сигналов — ортогональными составляющими.

Известно устройство выделения ортогональных составляющих с помощью опорных ортогональных сигналов. (s1)s Н01H83 22,Н02Н 16 (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 между избирательностью к

1744733

15

25

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

fHoì = 50 Гц, а. при частоте собственных колебаний системы, близкой к fHOM (65-75 или 25-35 Гц), требуется и более продолжительное время.

Известно устройство выделения ортогональных составляющих, в котором принципиально более высокая разрешающая способность (мен ь шее время набл юден и я) 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 заграждающего 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 орто-. гональных 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 которого подключен к управляющему входу масштабирующего элемента, а выход фазового детектора подключен к управляющему входу фазосдвигающего элемента, Принципиальное отличие предлагаемого устройства от известных адаптивных фильтров заключается в ином подходе к заданию. полезного (стандартного, обучающего) сигнала. В обычных адаптивных фильтрах этог сигнал известен, в предлагаемом устройстве задается только его частота, а остальные параметры — ортогональные составляющие — формируются специальным образом наравне с адаптивными коэффициентами цифрового фильтра, На чертеже приведена принципиальная схема устройства, Устройство для выделения ортогональных составляющих электрических величин содержит адаптивный фильтр 1, включающий в свой состав задающий блок 2 и первый цифровой фильтр 3, второй цифровой фильтр 4, генератор 5 ортогональных сигналов, масштабирующий элемент 6, блок 7 формирования ортогональных . оставляющих, первый 8 и второй 9 умножители, первый 10 и второй 11 сумматоры, пороговый элемент 12, амплитудный детектор 13, фазо1744733 и вектора

x = (ATA) 1ATb

„= (Ат! - «)-»Ат! -1! (2) Ax+s = b (3) вый детектор 14, фазосдвигающий .элемент

15.

В состав цифрового фильтра 3 входят элементы 16-18 задержки, умножители 1921 и многовходовый сумматор 22. 5

Цифровой фильтр 4 состоит из аналогичных элементов, но включены фильтры 3 и 4 по-разному: основной вход фильтра 3 подключен к клемме 23 для соединения с входом устройства, а основной вход 24 10 фильтра 4 — к генератору 5 ортогональных сигналов. Задающие входы фильтров 3 и 4 подключены к верхним выходам 25-27 задающего блока 2. Нижние (дополнительные)

его входы 28 и 29 задают сигналы умножи- 15 телям 8 и 9. Пороговый элемент 12 воздействует на вход 30 пуска задающего блока 2.

Масштабирующий 6 и фазосдвигающий 15 блоки выполнены с задающими входами 31 и 32 соответственно. Блок 7 формирования 20 ортогональных составляющих выполнен с основным входом 33, управляющими входами 34 и 35 и двумя выходами 36 и 37, являющимися выходами всего устройства, Управляют этим фильтром выходы 38 и 39 25 генератора 5.

Блоки устройства имеют следующее функциональное назначение, Цифровые фильтры 3 и 4 осуществляют нерекурсивное преобразование своих вход- 30 ных сигналов. Так, если на вход 23 поступает сигнал u(l), где I — дискретное время, то на выходе 40 образуется сигнал

m — 1

v(!) = u(l) —, > aiu(l — m+ i) i =О где m — порядок фильтра, рекурсивно наращиваемый, Генератор ортогональных сиг- 40 налов 5 формирует на своих выходах 38 и 39 сигналы созеО и sin и I, где a = 2 л/N, N— число выборок на периоде частоты сети fo.

Цифровой фильтр 4 включен на сигнал

cos a l, и сигнал на его выходе 41

m — 1

vg(l) = cos а I —, ), а;сов а (I — m + i), !

С равным основанием фильтр 4 может быть подключен и к выходу 39 генератора 5 (к сигналу sin a I).

Задающий блок 3 формирует на своих верхних выходах 25-27 величины ai, а на нижних 28, 29 — пару предварительных ортогонэльных составляющих 01 и U2 . Нэ Входы сумматора 11 от умножителей 8 и 9 ! 1 поступают сигналы u» cos а I и щ sin а I, образующие на его выходе гармонический сигнал

g (!) = u1 cos a l + нг sin a I.

В сумматоре 10 этот сигнал вычитается из

v(l), и на пороговый элемент 12 поступает разностный 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 I = О, набирает m + и + 1 отсчетов входной величины u(l), а также по n + 1 отсчетов опорных сигналов cos а !, sin а I.

Получаемую им информацию можно представить в виде матрицы

I cosa m sin a m u(0) u(1) u(m-1)

А = cosa(m+1) sin а(п»+1) u(1) u(2) u(m) сова(п»+п) sina(rp+n) u(n) u(n+1) u(m+n-1) b =- (u(m), u(m+1),, u(m+n)) где Т вЂ” индекс транспонирования, Задача задающего блока 2 — определение вектора параметров

X = (U1, U2, ао, а1,...,8m-») Для этого он осуществляет одну из следующих матричных операций: или, если известна ковариационная матрица Rs сигнала s(l), то

Отсюда следует, что задающий блок 2 представляет собой процессор; предназначенный для решения системы линейных алгебраических уравнений по методу наименьших квадратов или иным методам, Подобные специализированные процессоры выполняются B виде отдельных интегральных микросхем.

1744733

b = (u(1), u(2), u(3)1 .

m+n

s (!)-+гп!и.

I =m (5) v(I) = u(l) — aou(l-1), — p!

u(l) =- gsx(i)+ Um e (4), соз а з!и а u(0

А = ccs2 а sic2ts и(1 соз3 а з!пЗа u(2 тогда s(!) — = 0 при m.

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 5 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 форми- 10 рования ортогональных составляющих 7 обладает свойством выделять величины и1 и 02 в поступающем íà его вход гармоническом сигнале

g(l) = 01соз а!+ u2sin а!, Предположим, что на вход 23 данного устройства подана электрическая величина

u(l) = uyc (l) + ucs(!), состоящая из установив- 20 шейся гармонической величины

uycT(l) = gsx(l) = u1sxCOS а + u2sxSin а I и из свободной величины — p !

ucs(l) =, Ump e з!п(1 fpl + Q p), Р

30 где м = а /fo Цифровой фильтр 3 настроится на величину u(l) не сразу, пока этого не произойдет, сигнал g (I) будет не в состоянии скомпенсировать сигнал v(l), вследствие чего их разность s(l) будет высокого уровня.

Поступая на вход порогового элемента 12, сигнал s(l) приведет к его срабатыванию v: тот своим выходным сигналом запустит задающий блок 2, который приступит к формированию матрицы А и вектора b отсчетов 40 входной величины, делая это для заданного начального значения m, Если принимается

m = 1, то тем самым предполагается, что

ucs(l) может состоять из единственной экспоненты, т,е. ожидаемый состав входной ве- 45 личины

Значение и всегда выбирается с таким расчетом, чтобы число уравнений в системе (3) было не меньше числа неизвестных (компоненты вектора х), равного m + 2, как минимум n = m + 1. Так, при m = 1 и и = 2 задающий блок 2 набирает следующие дан- 55 ные:

Определяя по алгоритму (1) или (2) вектор х = (01, U2,,ао), блок 2 выставляет на т своем выходе 25 сигнал ао, на остальных верхних выходах 26 и 27 — нулевые сигналы, а на нижних выходах 28 и 29 — сигналы и1 и !

02 . Цифровой фильтр 3, на умножитель 19 которого поступил сигнал ао, приобретает способность подавлять свободную слагаемую входной величины, имеющую в данном случае коэффициент затухания р, Для пояснения заметим, что алгоритм (1) обладает свойством доставлять минимум квадратическому функционалу невязки

Подставляя (4) в уравнение цифрового фильтра 3 первого порядка получим выражение его выходного сигнала ч(!) = Явых(!) + Исв,вых(!)

ГДЕ gsblx(l) = gsx(l) — аоЯвх(!-1);

Р— Р

ucs,sb x(i) = Um(1 — ао е } е

Преобразованный полезный сигнал представляет собой гармонику

g BblX(!) = U1sblXCoS а + 02sblxsin а со своими ортогональными составляющими

01вы)(И игвых, КРОМЕ СИГНаЛа а„эаДаЮЩИй блок 2 выставляет еще и сигналы 01, иг, которые поступают на умножители 8 и 9, перемножаются в них с сигналами генераi тора 5 и в составе сигнала g (!) поступают на вход сумматора 10, на выходе которого в результате образуется сигнал

З(!) = (01вь — 01)СОЗ а 1+ (игввх — 02) Х

Р -Р х s!n a!+ Um(1 — ао е } е откуда следует, что минимуму, притом абсолютному, функционала (5) отвечают следующие сигналы задающего блока 2:

01 = 01sbix, иг = игвцх, ao = Е (б) 1744733

10 х=(01, 02, ао, а1), i т

55

Аналогичная картина наблюдается и при более сложной свободной слагаемой

uc>(l), различие состоит только в том, что для подавления большего числа слагаемых требуется большее число элементов задержки

16-18 или более высокий порядок m фильтра

3. В подобной ситуации устройство постепенно наращивает величину m. Допустим, что при начальном значении порядка m = 1, получив информацию из четырех отсчетов входной величины u(l) и определив по ним три параметра и 1, 02 и ао, устройство обнаружит, что з(!) I > scp, где scp — 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

m = 2. Задающему блоку 2 понадобится еще минимум два отсчета входной величины (0(4) и u(5)). Получив их, он выполнит преобразования (1) или (2), выставив в результате новые выходные сигналы в виде нового вектора

При этом, в частности, вместо прежнего нулевого сигнала на выходе 26 появится ненулевой сигнал а1.

Процесс повышения порядка m завершится тогда, когда при всех = m — (m + и) сигнал невязки з(!) на выходе сумматора 10 будет иметь низкий уровень, так что s(l) I <

< все. 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 и блоки 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 u1 uz на выходах 28 и 29 блока 2 в величины 01 и uz, предположительно равные искомым ортогональным составЛЯЮЩИМ 01вх, 02вх. ТаК КаК В СООтВЕтСтВИИ С принципом действия устройства по завершению настройки должно выполняться раВЕНСтВО(6), тО 01@x И 02 х МОЖНО ОбНаРУжИтЬ, как бы пРопУскаЯ сигнал g (I) = Я ых(!) чеРез цифровой фильтр в обратном направлении и получая в итоге сигнал я х(!). Поскольку все эти сигналы являются гармониками частоты

fo, то упомянутое преобразование можно осуществить с помощью масштабирующего

6 и фазосмещающего 15 блоков, общая передаточная функция которых имеет вид

1/Н(1О) где H(fo)expj p (fo) — передаточная функция цифрового фильтра 3. Сигнал Явх(!) можно записать в виде комплекса g» = uz + ju1.

После прохождения через цифровой фильтр

3 он будет преобразован в

Явых = 02вых+)01вых = Н(о) Яex

По завершении настройки цифрового фильтра 3 на выходе сумматора 11 появляется сигнал g = 02 + ju1 В соответствии с с

I принципом действия устройства.g =ge x, откуда

g = g /H(fo) = Явых/H(fo) = Явх.

Следовательно, проходя через блоки 6 и

15, сигнал g (1) преобразуется в искомую величину — основную гармонику входной величины — полезный сигнал Явх(!), 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

H(fo), Поскольку фильтр 4 включен на нормированный гармонический сигнал, то амплитуда его выходного сигнала, определяемая амплитудным детектором 13, есть Н(1О), а разность фаз, устанавливаемая фазовым детектором 14, есть <р(1О). В совокупности блоки 13 и 14 определяют искомый комплекс

Н(1О) и передают его блокам 6 и 15 в виде инверсной величины 1/Н(1О).

Блок 7 формирования ортогональных составляющих выделяет из поступающей на его вход 33 гармонической величины g(l) искомые параметры u1, uz, 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.

1744733

Формула изобретения

Устройство 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 входам 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.