Способ выделения аварийной слагаемой тока короткого замыкания

 

Изобретение относится к релейной защите и автоматике и решает задачу выделения аварийной слагающей тока на фоне качаний в энергетической системе. Используются только простые операции, легко реализуемые на микропроцессорной технике. Ток преобразуется в цифровой сигнал, а затем в ортогональные составляющие. Частота дискретизации последних понижается с тем, чтобы подавать в них колебание двойной частоты, после чего они пропускаются через нерекурсивный фильтр, удовлетворяющий некоторым специальным условиям. Его старший масштабирующий множитель должен быть равен единице, он должен подавлять постоянный сигнал, а из подаваемых на него отсчетов только последний должен относиться к аварийному режиму, а все остальные - к предшествующему. Поэтому перед формированием каждого нового отсчета аварийной слагаемой частота дискретизации ортогональных сигналов понижается вдвое. Во избежание недостоверности первого отсчета аварийного тока предлагается фиксировать ортогональные составляющие предшествующего режима в момент, ближайший к моменту короткого замыкания. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к релейной защите и автоматике электрических систем, и может быть использовано в дистанционной защите и определителях места повреждения линии электропередачи.

Релейная защита функционирует в условиях переходного процесса, сопровождающего короткое замыкание в электрооборудовании. Наиболее совершенные способы выявления повреждений основываются на разграничении составляющих тока короткого замыкания, а именно на разделении аварийной слагаемой и тока доаварийного режима. Устройства, предназначенные для выполнения данной функции, получили наименование фильтров аварийных слагаемых (составляющих). Они решают задачу контроля приращения контролируемой величины. Одно из наиболее актуальных их применений пусковые органы блокировки при качаниях. В большинстве случаев применяется самый очевидный способ выделения аварийного тока путем вычитания комплекса тока доаварийного режима из комплекса тока, наблюдаемого в настоящее время. Если доаварийный режим был периодическим, то запоминают один период доаварийного тока. Вычитая этот период из наблюдаемого тока, получают мгновенные значения аварийной слагающей. При этом предполагается, что частота доаварийного режима известна. Комплексы доаварийного, равно как и наблюдаемого токов выделяются в современной, т.е. цифровой, технике с помощью фильтров ортогональных составляющих. Предварительно ток преобразуется в цифровой сигнал, который умножается на два опорных ортогональных сигнала, а отсчеты получающихся параметрических сигналов суммируют на одном или нескольких полупериодах.

Проблема возникает в тех случаях, когда доаварийный режим был непериодическим. Подобная ситуация достаточно реальна. Например, короткое замыкание может наложиться на режим качаний, когда доаварийный ток состоит из колебаний двух близких частот. Известно техническое решение, призванное снять данную проблему. Оно заключается в применении адаптивного фильтра, настраиваемого на контролируемый ток и играющего, с одной стороны, роль адаптивного пускового органа, а с другой, формирователя доаварийного тока. Помимо сложности данному техническому решению присущ еще один недостаток. Доаварийный ток формируется в аварийном режиме методом передачи предсказания, причем уже предсказанные отсчеты затем используются для предсказания последующих. В результате точность предсказания каждого нового отсчета ниже, чем предыдущего.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей способа выделения аварийной слагающей тока, заключающееся в том, что он приобретает способность правильно функционировать в условиях качаний.

Цель достигается тем, что способ выделения аварийной слагающей тока короткого замыкания, предусматривающий последовательно выполняемые операции преобразования тока в цифровой сигнал, а затем в два ортогональных сигнала, и формирование пускового сигнала, фиксирующего момент короткого замыкания, дополнен операциями, способными устранить влияние режима качаний. Для этого уменьшают частоту дискретизации ортогональных сигналов в заданное число раз и пропускают ортогональные сигналы через нерекурсивный фильтр, формируя в результате первые значения ортогональных составляющих аварийной слагаемой тока. Затем уменьшают частоту дискретизации ортогональных сигналов еще вдвое и вновь пропускают их через нерекурсивный фильтр, формируя вторые значения. В той же последовательности формируют и все остальные значения, каждый раз уменьшая вдвое предыдущую частоту дискретизации ортогональных сигналов и пропуская их через нерекурсивный фильтр.

В результате аварийная слагаемая тока короткого замыкания предстает в виде двух своеобразно формируемых выходных сигналов нерекурсивного фильтра. Эти сигналы несут информацию о состоянии электрической сети и могут быть непосредственно использованы в защите или автоматике как комплексы основной гармоники аварийной слагаемой переходной электрической величины.

Дополнительно предлагаются варианты взаимосвязи между пусковым сигналом и процессом формирования аварийных слагаемых. Пусковой сигнал может быть сформирован автономно. Но проще всего формировать его с помощью нерекурсивной фильтрации. Для повышения точности целесообразно производить дискретизацию синхронно с пусковым сигналом.

На фиг. 1 приведена временная диаграмма функционирования способа; на фиг. 2 графическая интеpпретация процесса формирования отсчетов аварийной слагаемой тока; на фиг. 3 структурная схема, реализующая предлагаемый способ.

На диаграмме 1 и 2 кривые мгновенных значений измеряемого тока: 1 в доаварийном (предшествующем) режиме (iп), 2 ток короткого замыкания, i, tк.з. момент замыкания; 3 и 4 кривые ортогональных сигналов, идентифицируемых с ортогональными составляющими основной гармоники тока (ортогональных сигналов всего два, хотя на фиг. 1 показан только один из них, эти два сигнала формируются с достаточно высокой частотой дискретизации, поэтому кривые показаны сплошными линиями): в предшествующем режиме, 4 в режиме короткого замыкания; 5-11 иллюстрируют процесс формирования аварийной слагаемой тока: 5 диаграмма ортогональных сигналов после первого деления частоты дискретизации, 6 первый сформированный отсчет (значение) аварийной слагаемой, 7 диаграмма ортогональных составляющих после второго деления частоты, 8 второе значение аварийной слагаемой, 9, 10 то же, после третьего деления частоты, 11 результирующая последовательность отсчетов выходного комплекса аварийной слагаемой.

Мнемоническая схема на фиг. 2 иллюстрирует действие нерекурсивного фильтра. Линии объединяют отсчеты ортогональных сигналов, поступающих на вход фильтра: 12 при первом делении частоты дискретизации, 13 и 14 при втором и третьем.

Структурная схема по фиг. 3 соответствует одному из возможных вариантов реализации предлагаемого способа. Она содержит фильтр 15 ортогональных составляющих, блок 16 памяти, нерекурсивные фильтры 17, 18, пороговые элементы 19, 20, логический элемент ИЛИ 21 и коммутаторы 22, 23. Блоки 19-21 образуют в совокупности пусковой орган 24, управляющий блоками 16, 22, 23. Блок 16 памяти наделен свойством накапливать информацию, поступающую на его информационные входы 25, 26, и выдавать ее с дискретно изменяющейся частотой. Пусковой орган 24 воздействует на управляющие входы 27-29 блока памяти и коммутаторов.

Далее используются следующие понятия и обозначения: i(t) наблюдаемый ток, i(l) его отсчеты (цифровой сигнал), l дискретное время, полученное с обычной для релейной защиты частотой дискретизации f_д, значительно превышающей частоту сети f_c. Желательна синхронная дискретизация, при которой f_д Nf_c, N целое (чаще всего N 12). Роль информационных параметров тока играют ортогональные составляющие основной гармоники I_s Re, Ic Im, где I_s + jI_c комплекс тока. Их определяют с помощью фильтра ортогональных составляющих, реализующего операцию умножения тока на опорные ортогональные сигналы s(l), c(l) и суммирования на протяжении периода = ) (1) Указание времени l в аргументе ортогональных составляющих исходит из предположения, что они определяются на каждом шаге. Если ток i(l) не содержит четных гармоник, то ортогональные составляющие могут быть определены за полпериода основной частоты, т.е. вдвое быстрее, чем по (1): = (2) Как выражение (1) и выражение (2) свободны от методической погрешности только при условии, что ток i(l) периодическая функция основной частоты. Тогда ортогональные составляющие неизменимы: I_s(l) I_s; I_c(l) I_c; (l) . Но в режиме качаний это условие не соблюдается, так как в составе i(l) имеются два или, как минимум, одно колебание частоты f_к, отличной от частоты f_с опорных сигналов s(l) и c(l). В результате в ортогональных составляющих I_s(l) и I_c(l) обнаруживаются колебания разностной f_к f_с и суммарной f_к + f_c частот. Так, если ток изменяется по закону i(l) I_m1 sin(2πf_cτl + ϑ₁) I_m2 sin(2πf_кτl + ϑ₂), гдe τ 1/f_д интервал дискретизации, то (3) где I_s+ < I_s- < I_m2; I_c+ < I_c- < I_m2.

Как видим, в режиме качаний фильтр ортогональных составляющих формирует переменные сигналы. В таких условиях обнаружение короткого замыкания, а тем более выделение аварийной слагаемой представляет собой техническую проблему. Предлагаемый способ решает ее следующим образом. Прежде всего принимаются меры к тому, чтобы устранить из ортогональных составляющих колебание суммарной частоты, для чего производится простая операция децимация (понижение частоты дискретизации) ортогональных сигналов I_s(l) и I_c(l), эквивалентная к укрупнению интервала дискретизации в М раз, т.е. переходу от τ к τ_М Мτ и от мелкого дискретного времени l к более крупному l ent(l/M). В результате получаем новую закономерность изменения ортогональных составляющих: I_s(k)= I_m1cosΨ₁-I_s-cos[2π(f_к-f_c)τ_Mk+Ψ₂]+I_s+cos[2π(f_к+f_c)τ_Mk+Ψ₂] I_c(k)= I_m1sinΨ₁-I_c-sin[2π(f_к-f_c)τ_Mk+Ψ₂]-I_c+sin[2π(f_к+f_c)τ_Mk+Ψ₂]

(4)
Выбирая М кратным N/2 и имея в виду, что f_c τN 1 и, следовательно, 2π (f_к + f_c) τN/2 ≈ 2π, приходим к выводу, что в отличие от выражения (3) закономерность (4) характеризует низкочастотные сигналы
I_s(k) ≈ I_m1 cos Ψ₁ + I_s+ cos Ψ₂
I_s cos [2π (f_к f_c) τ_Mk + Ψ₂] (5)
I_c(k) ≈ I_m1 sin Ψ₁ I_c+ sin Ψ₂
I_c- sin [2π (f_к f_c) τ_Mk +Ψ ₂]
Аварийная слагающая тока также рассматривается в укрупнении времени k. Покажем/ что она может быть выделена с помощью нерекурсивного фильтра, правда, не любого, а отвечающего определенным требованиям. Во-первых, у него должен быть единичный коэффициент (масштабирующий множитель) при последнем во времени отсчете:
(k) (k) +a(k-p), (6) где (k) выходной сигнал; (k) входной сигнал фильтра; m порядок фильтра; a_р его коэффициенты.

Во-вторых, фильтр должен обладать способностью подавлять низкочастотные сигналы (5), и, следовательно, в доаварийном режиме
(k) (k) +a(k-p) _→ 0. (7)
Предположим, что в момент короткого замыкания t_к.з. (фиг. 1) формируется пусковой сигнал, условно соответствующий дискретному времени l 0. Тогда к моменту k 0 фильтром ортогональных составляющих будет сформирован комплекс (0) I_s(0) + jI_c(0). Этот ток нового режима короткого замыкания, наложившегося на качания, интерпретируется как
(O) (O)+(O), (8) где (0) ток доаварийного режима, продолженного на время после короткого замыкания; (0) первый из искомых отсчетов аварийной слагаемой. В силу условия (7) до момента k 0 на выходе нерекурсивного фильтра наблюдается сигнал нулевого уровня
(k) _→ 0, k ≅ -1.

Определим теперь выходной сигнал в первый после короткого замыкания момент k 0. Согласно условию (7)
(O) +a(-p) _→ 0, (9) поэтому из выражений (6) и (8)
(O) (O) +a(-p) (O) (10) что и оказывает способность данного нерекурсивного фильтра выделять аварийную слагаемую тока.

Если одного отсчета (0) для действия релейной защиты недостаточно и требуется сформировать еще один (1), то возникает проблема с определением промежуточного отсчета (0). Реально он не сществует/ так как доаварийный режим завершился моментом k -1. Значение (0) ожно было бы заменить предсказанным (0), что позволяет сделать условие (9)
(O) -p), и тогда
(1) (1)+a(O)+a(-p).

Точность выделения аварийной слагаемой (1) при этом заведомо ниже, чем (0). Покажем, как можно избежать данного недостатка. Но предварительно укажем наиболее простые нерекурсивные фильтры, обладающие свойствами (7). Среди фильтров, подавляющих нулевую гармонику и, следовательно, ослабляющих низкочастотные колебания качаний, самым простым являются разности отсчетов
(k) Δ^m (k): (11) при m 1 (фильтр первого порядка)
(k) (k)-(k-1) (k), (12) при m 2 (второй порядок)
(k) (k)-(k-1) (k)-2(k-1)+(k-2)=(k),
(13) при m 3 (третий порядок)
(k) (k)-(k-1) (14) и т.д.

Способность подавлять качания обнаруживается, начиная с m 2. Дело в том, что выражение (12) подавляет постоянную величину, выражение (13) изменяющуюся по линейному закону, выражение (14) по параболе. Анализ показывает, что второй порядок достаточен при частоте качаний /f_к f_c/ до 3 Гц, а третий до 5 Гц.

С повышением частоты качаний погрешность фильтра типа (11) возрастает. Методическая частотная погрешность присуща всем фильтрам с постоянными параметрами a_р. Ее можно исключить, применяя адаптивный фильтр
(k) (k)+x(k)(k-1)+(k-2) где единственный параметр x(k) определяется из условия настройки на подавление сигнала (k), совершаемой на предыдущем шаге:
I_x(k 1) 0
или
x(k) -[Δ I(k 1) + ΔI(k 3)]/Δ I(k 2), причем для настройки используется одна из ортогональных составляющих.

Завершив теоретическое обоснование способа выделения аварийной слагающей, рассмотрим конкретную последовательность выполнения операций, остановившись для определенности на нерекурсивном фильтре (13). Входной ток i(t) преобразуется в цифровой сигнал i(l) с помощью аналого-цифрового преобразователя. Затем цифровой сигнал i(l) пропускается через фильтр 15 ортогональных составляющих, осуществляющий операцию (1) или (2), результатом которой являются ортогональные сигналы I_s(l); I_c(l). Их отсчеты хранятся в блоке 16 памяти на протяжении нескольких периодов частоты сети и могут выдаваться ими в требуемой последовательности. Контроль стационарности тока может выполняться отдельным пусковым органом, но проще всего воспользоваться для этой цели выбранным нерекурсивным фильтром. Тогда необходимо возложить на блок 16 памяти функцию уменьшения частоты дискретизации в М раз (децимации сигнала (l). В стационарном режиме качаний децимированные ортогональные сигналы подавлены нерекурсивным фильтром 17 или 18, т.е. в таком режиме уровень выходного сигнала нерекурсивного фильтра близок к нулю. Сигнал контролируется пороговым органом 24, где имеются пороговые элементы 19, 20, сопоставляющие уровень I_sx и I_cx с заданным. В стационарном режиме качаний пороговые элементы не срабатывают, что свидетельствует об отсутствии аварии.

Теперь предположим, что в момент t_к.з. произошло короткое замыкание (фиг. 1). В дискретном времени l этому явлению соответствует момент l_к.з.В укрупненном дискретном времени К этот факт обнаружен в общем случае несколько позднее по повышению уровня выходного сигнала нерекурсивного фильтра. В схеме фиг. 3 происходит срабатывание пускового органа 24, формирующего пусковой сигнал δкз. Однако было бы неверно идентифицировать выходные сигналы нерекурсивных фильтров 17, 18, появившиеся в это время, с искомыми отсчетами аварийных слагаемых. Дело в том, что после короткого замыкания в фильтре ортогональных составляющих возникает собственный переходный процесс. В первом фильтре он длится период частоты сети, а во втором фильтре полпериода. Поэтому первый из отсчетов тока I, поступивший на вход нерекурсивного фильтра, как правило, недостоверен, и его нельзя использовать в качестве информационного параметра. Проблема недостоверного отсчета решается путем синхронизации крупного дискретного времени К с моментом короткого замыкания t_к.з. Для этого сопоставляются М вариантов начала отсчета времени К и определяется таким образом последний отсчет тока доаварийного режима, обозначенный на фиг.1 как (-1). Тем самым фиксируется начало отсчета тока короткого замыкания К 0 (фиг.1, график 5). Отсчет (0) при этом достоверен, так как при алгоритме (1) M ≥ N, а при алгоритме (2) M ≥ N/2, и между моментами К -1 и К 0 проходит время, достаточное для установления фильтра ортогональных составляющих. В дальнейшем принятая последовательность отсчета времени К сохраняется вплоть до следующего изменения режима. Заметим, что как до короткого замыкания так и после него ортогональные сигналы поступают в память 16 с дискретностью τ (время l), но выдаются из памяти они уже с дискретностью τ_М (прореженные в М раз) и не произвольно, а лишь те, что приходятся на моменты К. На фиг.1 токи 3 и 4 относятся к тем, что поступают в память, а отсчеты 5, 7, 9 к извлекаемым из нее.

Далее рассмотрим процесс формирования отсчетов нерекурсивным фильтром, действующим по алгоритму (13). Будучи фильтром второго порядка, он нуждается только в трех отсчетах своей входной величины (k). Для формирования отсчета (0)= (0) необходимы отчсеты (0), (-1) и (-2). Поскольку отрицательное время принадлежит доаварийному режиму, последние величины обозначаются как (-1) и (-2). Нерекурсивный фильтр, как показано выше, обладает свойством формировать отсчеты аварийной слагаемой тока только при условии, что на него подан единственный отсчет аварийного тока , а все остальные отсчеты взяты из доаварийного режима. Кроме того, интегралы времени между отсчетами должны быть равны. Чтобы сохранить эти условия при формировании последующих отсчетов, достаточно каждый раз увеличивать вдвое интервал дискретизации τ_М, сохраняя всего лишь единственный отсчет (-1) (фиг.1, графики 7 и 9). При этом отсчеты (1) и (2) определяется аналогично отсчету (0):
(O) (O)-2(-1)+(-2);
(1) (1)-2(-1)+(-3);
(2) (2)-2(-1)+(-4).

В общем случае
(k) (k)-2(-1)+(-k-2). (15)
Алгоритм (15) дополнительно иллюстрируется фиг.2. В схеме фиг.3 пусковой орган 24 дает блоку 16 памяти команду о необходимости синхронизировать время К с моментом t_к.з. Этот же пусковой сигнал включает коммутаторы 22, 23, передавая на выход ортогональные составляющие аварийной слагаемой тока короткого замыкания I_ps(K) и I_pc(K).

Предложенный способ решает задачу выделения аварийной слагаемой тока как информационного параметра, причем делает это посредством таких несложных операций, как понижение частоты дискретизации (децимация), нерекурсивная фильтрация с целочисленными множителями, сравнение с уставкой, легко реализуемых на базе микропроцессорной техники.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ АВАРИЙНОЙ СЛАГАЕМОЙ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, включающий в себя преобразование тока в цифровой сигнал, преобразование цифрового сигнала в два ортогональных сигнала, пропорциональных ортогональным составляющим основной гармоники тока, отличающийся тем, что уменьшают частоту дискретизации ортогональных сигналов в заданное число раз, пропускают ортогональные сигналы через нерекурсивный фильтр, заграждающий нижние частоты и имеющий единичный старший масштабирующий множитель, формируя тем самым первые отсчеты ортогональных составляющих аварийной слагаемой тока короткого замыкания, формируют пусковой сигнал, фиксирующий момент короткого замыкания, и после его возникновения уменьшают частоту дискретизации ортогональных сигналов еще вдвое и заново пропускают их через нерекурсивный фильтр, формируя тем самым вторые отсчеты указанных ортогональных составляющих, и все последующие отсчеты формируют, уменьшая в два раза предыдущую частоту дискретизации ортогональных сигналов и пропуская их заново через нерекурсивный фильтр.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что абсолютные значения первых отсчетов ортогональных составляющих аварийной слагаемой сравнивают с уставкой и в случае ее превышения формируют пусковой сигнал.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дискретизацию пониженной частоты синхронизируют с пусковым органом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3