АДАПТИВНЫЙ ПУСКОВОЙ ОРГАН Российский патент 1994 года по МПК H02H3/38 H01H83/20 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике электрических систем, и может быть использовано во всех случаях, когда требуется зафиксировать изменение режима работы сети.

Известны пусковые органы блокировки при качаниях, реагирующие на приращения электрических величин. По принципу своего действия эти органы реагируют на изменение вектора тока (напряжения), основной частоты. При отклонении частоты от номинальной принцип действия нарушается, и чем сильнее отклонение, тем выше погрешность таких органов.

Известен пусковой орган, малочувствительный к уходу основной частоты. Его отличительная особенность - применение заграждающего фильтра с полосой подавления в окрестности номинальной частоты. Однако и данный пусковой орган не защищен от влияния гармоник основной частоты и, тем более, апериодических слагаемых переходных процессов, частоты и затухания которых заранее неизвестны.

Известно устройство релейной защиты, содержащее адаптивный фильтр с пороговым элементом и решающее задачу адаптивного выделения основной гармоники. Оно не подвержено влиянию ни нулевой, ни высших гармоник, ни апериодических слагаемых переходного процесса, но в обычной форме может реагировать только на изменение вектора основной гармоники тока или напряжения. Таким образом, данное устройство может выполнять функции адаптивного пускового органа, но только в ограниченных пределах. Реагировать же непосредственно на изменение режима контролируемой сети оно не способно.

Цель изобретения - такое расширение функциональных возможностей адаптивного пускового органа, что тот приобретает чувствительность не только к установившимся, но и к переходным процессам.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее адаптивный фильтр с задающим блоком и пороговым элементом, вход которого соединен с выходом фильтра, введены дополнительные элементы: второй пороговый элемент, элемент времени, одновибратор, дифференцирующий элемент, два логических элемента НЕ и логический элемент И. Основные и дополнительные блоки соединены таким образом, что образуемый их совокупностью адаптивный пусковой орган приобретает способность надежно отличать новый режим от предыдущего, даже если последний был переходным с произвольными установившейся и свободной слагающими. К этим новым конструктивным признакам относится включение второго порогового элемента между выходом адаптивного фильтра и первым входом элемента И, каскадное соединение первого элемента НЕ, элемента времени, второго элемента НЕ и одновибратора между выходом первого порогового элемента и вторым входом элемента И, подключение выхода элемента И через дифференцирующий элемент ко входу установки задающего блока на нуль.

Задача разграничения двух режимов работы электрической сети специфична для релейной защиты и автоматики, где и ранее встречались цифровые пусковые органы. Однако в отличие от предлагаемого пускового органа они не обладают способностью адаптироваться к спектральному составу входной величины.

На фиг. 1 приведена структурная схема адаптивного пускового органа; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу его элементов.

Пусковой орган состоит из адаптивного фильтра 1, выполненного из трех блоков - задающего блока 2, нерекурсивного фильтра 3 и первого порогового элемента 4, и подключенных к нему дополнительных блоков: второго порогового элемента 5, первого элемента НЕ 6, элемента времени 7, второго элемента НЕ 8, одновибратора 9, элемента И 10, дифференцирующего элемента 11 и, возможно, выходного одновибратора 12, нерекурсивный фильтр 3 собран на элементах задержки 13-15, умножителях 16-18 и сумматоре 19.

Адаптивный пусковой орган представляет собой цифровую систему, функционирующую в дискретном времени l, и на его вход 20 поступает дискретная входная величина U(l) - отсчеты напряжения или тока электрической сети. Функцию адаптации к наблюдаемому режиму сети выполняет задающий блок 2, выполненный с информационным входом 21, управляющим входом 22, входом сброса (установки на нуль) 23 и выходной шиной 24-26.

Нерекурсивный фильтр 3 рассчитан на некоторый предельный порядок m_max. Число его элементов задержки 13-15 равно числу умножителей 16-18 и составляет как раз m_max. Столько же выходов 24-26 у задающего блока 2. Каждый выход задает один из коэффициентов a_s нерекурсивного фильтра 3. Число входов 27-30 сумматора 19 на единицу больше, причем на его нижний вход 27 сигнал поступает непосредственно со входа пускового органа 20. Выходом же пускового органа служит выход 31 одновибратора 12.

На фиг. 2 показаны следующие сигналы: 32 - первого порогового элемента 4, 33 - первого элемента НЕ 6, 34 - элемента времени 7, выполненного с задержкой на срабатывание Δt₁, 35 - второго элемента времени НЕ 8, 36 - одновибратора 9, 37 - второго порогового элемента 5, 38 - элемента И 10, 39 - дифференцирующего элемента 11.

Выходная величина ε(l) адаптивного фильтра 1 формируется элементами задержки 13-15, умножителями 16-18 и сумматором 19 нерекурсивного фильтра 3
ε(l)= u(l)+a_sU(l-s) (1) и воспринимается как сигнал невязки: настройка адаптивного фильтра 1 производится его задающим блоком 2 по условию малости уровня ε(l). Иными словами, задачей адаптивного фильтра 1 является подавление входного сигнала U(l), что он и делает, подбирая не только коэффициенты a_s, но и порядок m. Известно, что входная величина, состоящая из р экспонент и q гармоник (затухающих или нет), может быть полностью подавлена и притом за конечное время фильтром 1 порядка m = p + 2q. Если предельный порядок m_max, до которого возможно наращивание порядка m, достаточно велик, то адаптивный фильтр 1 всегда сумеет подавить входную величину U(l). Процесс настройки начинается с минимального порядка m_min = 2, который достаточен для настройки на установившийся синусоидальный режим неизвестной частоты. Отсчеты входной величины поступают на задающий блок 2, который формирует из них систему уравнений, отвечающую критерию малости выходного сигнала.

ε(l) = 0, l = , (2) где n - момент поступления последнего отсчета, а l = 0 - момент начала настройки. Более подробный вид системы уравнений, формируемой, а затем решаемой задающим блоком 2, дает подстановка (1) в (2) U(m - 1) a₁ + U(m - 2) a₂ + . . . + U(0) a_m = -U(m) U(m)a₁ +U(m - 1) a₂ + . . . + U(1) a_m= -U(m+ 1) (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U(n - 1) a₁ + U(n - 2) a₂ +. . . + U(n - m) a_m= - U(n)
Коэффициентами этой системы служат отсчеты входной величины, из таких же отсчетов формируется и правая часть системы. Существуют микросхемы, выполняющие функции задающего блока 2, т. е. формирующие матрицу - циркулянт левой части уравнения того же типа, что и (3), вектор правой части и определяющие оценку неизвестных параметров а_s этой в общем случае переопределенной системы уравнений.

Адаптивный пусковой орган работает следующим образом. Настройка адаптивного фильтра 1 производится рекурсивно по m, начиная от m_min = 2 и, если потребуется, вплоть до m_max. Переход к старшему порядку задающий блок 2 совершает при условии, что с его управляющего входа 22 не снят сигнал порогового элемента 4. При m_min задающий блок 2 формирует и решает следующую систему уравнений (3)
U(1) a₁ + U(0) a₂ = -U(2)
U(2) a₁ + U(1) a₂ = - U(3) (4)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

U(n - 1) a₁ + U(n - 2) a₂ = U(n), определяя коэффициенты а₁^o и а₂^o, где верхние индексы указывают на принадлежность к начальному этапу настройки. Далее задающий блок 2 выставляет на своих выходах сигналы, равные величинам а₁^o и а₂^o. Первый передается с выхода 24 на вход умножителя 16, а второй - с выхода 25 на умножитель 17. На остальных же выходах задающего блока 2, в том числе на выходе 26, выставляются сигналы нулевого уровня. При этом через элемент задержки 13 и умножитель 16 на вход 28 сумматора 19 поступит сигнал а₁^oU(l - 1), соответственно через элемент задержки 14 и умножитель 17 на вход 29 поступит сигнал а₂^o U(l - 2). Выходные сигналы остальных умножителей, в том числе 15, сохранят нулевой уровень, так что остальные входы сумматора 19 в том числе и 30, пока задействованы не будут. В итоге сумматор 19 сформирует сигнал нулевого этапа
ε^°(l)= u(l) +a°s

u(l-s)
(5)
Если U(l) - синусоидальная величина произвольной частоты, то начиная с l = m_min = 2 выражение (5) даст сигнал нулевого уровня. Но если в составе U(l) присутствуют еще и неосновные гармоники этой частоты или затухающие слагаемые, то процесс настройки будет продолжен. Сигнал ε^o(l) сохранит высокий уровень и при l ≥ m_min = 2 удержит пороговый элемент 4, выполненный в виде двухстороннего нуль-индикатора, в состоянии срабатывания, а тот своим выходным сигналом, подаваемым на управляющий вход 22 задающего блока 2, побудит его перейти к настройке адаптивного фильтра 1 следующего порядка m^' = 3. Это означает, что задающий блок 2 сформирует вместо (4) новую систему уравнений (3) с тремя неизвестными - коэффициентами а₁, а₂, а₃
U(2) a₁ + U(1) a₂ + U(0) a₁ = - U(3)
U(3) a₁ + U(2) a₂ + U(1) a₁ = - U(4)
U(4) a₁ + U(3) a₂ + U(2) a₁ = - U(5)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

U(n - 1) a₁ + U(n - 2) a₂ + U(n - 3) a₁ = -U(n) и определит их оценки а₁^', а₂^', а₃^' на этом новом этапе. Если в составе входной величины U(l) присутствуют только одна гармоника и одна экспонента (обе с неизвестными параметрами), то порядок m = 3 будет достаточен для их полного подавления, т. е. выходной сигнал сумматора 19
ε′(l)= u(l) +au(l-s) сменивший сигнал предыдущего этапа (5), начиная с момента l = m^' = 3 примет нулевой уровень. Но если состав входной величины более сложен, то процесс продолжится. Предположим, что полная настройка завершилась при некотором порядке m(2≅m ≅m_max). Сигнал ε(l) начиная с момента l = m примет нулевой уровень. Пороговый элемент 4 вернется в этот момент, понизив уровень своего выходного сигнала 32. Соответственно, элемент НЕ 6 повысит уровень своего сигнала 33, запустит элемент времени 7, который сработает спустя время Δt₁, вызвав понижение уровня выходного сигнала 35 элемента НЕ 8. Теперь пусковой орган подготовлен к срабатыванию. Поясним, почему необходимо выждать некоторое время Δt₁ после завершения настройки адаптивного фильтра 1. Дело в том, что пороговый элемент 4, реагирующий на весьма низкий уровень сигнала ε(l), может вернуться на непродолжительное время и в силу каких-либо случайных причин, например при изменении знака сигнала ε(l). Поэтому должны быть получены гарантии надежной настройки адаптивного фильтра 1 на подавление входной величины U(l). Такую гарантию и дает то обстоятельство, что на протяжении времени Δt₁ сигнал ε(l) остается на нулевом уровне. В наступившем после настройки и выдержки времени стационарном состоянии пусковой орган может пребывать сколь угодно долго. Задающий блок 2, лишенный управляющего сигнала, сохраняет свои выходные сигналы a_s на шине 24-26, а нерекурсивный фильтр 3 при таких значениях своих коэффициентов и неизменном составе входной величины U(l) будет успешно ее подавлять.

Теперь предположим, что в момент 0^' произошло изменение режима контролируемой сети. Это значит, что в данный момент изменился спектральный состав входной величины U(l) и начиная с момента l = 0^'адаптивный фильтр 1 утратит способность подавлять входную величину, порожденную новым режимом. В результате уровень выходного сигнала ε(l) сразу же повысится, что будет в первую очередь зафиксировано пороговым элементом 4. Но для срабатывания пускового органа в целом этого недостаточно, так как порога элемента 4 может быть недостаточно для того, чтобы сделать вывод об изменении режима. В отличие от элемента 4, порог срабатывания которого заведомо низок, второй элемент 5 может иметь произвольный порог, так как это не влияет на качество настройки адаптивного фильтра 1. Срабатывание обоих пороговых элементов служит убедительным свидетельством изменения режима. При срабатывании порогового элемента 4 немедленно возвращается элемент времени 7 и, как следствие, одновибратор 9 выдает импульс 36 заданной продолжительности Δt₂. Если в это же время сработает и пороговый элемент 5, то на входы элемента И 8 поступят оба сигнала, вызвав появление сигнала 38 на его выходе. Одновибратор 12 нормирует длительность выходного сигнала пускового органа, а дифференцирующий элемент 11 по переднему фронту сигнала 38 произведет установку на нуль задающего блока 2, после чего тот заново начнет настройку адаптивного фильтра 1. Перезапуск адаптивного фильтра предусматривается также и в том случае, когда, дойдя до порядка m_max , он тем не менее оказывается не в состоянии подавить свой входной сигнал.

Предложенный пусковой орган обладает максимально широкими функциональными возможностями. Для него не является препятствием такая встречающаяся в электроустановках ситуация, когда аварийный режим приходит на смену предыдущему переходному процессу. Применение адаптивного пускового органа повышает надежность защиты электрических систем, устраняя информационную зависимость распознавания аварий от предыстории их развития.

Использование: в релейной защите и автоматике электрических систем с целью расширения функциональных возможностей адаптивного пускового органа, для приобретения им чувствительности не только к установившимся, но и к переходным процессам. Сущность изобретения: в устройство, содержащее адаптивный фильтр 1 с задающим блоком 2 и пороговым элементом 4 введены дополнительные элементы, которые соединены с основными таким образом, что образуемый их совокупностью адаптивный пусковой орган приобретает способность надежно отличать новый режим от предыдущего, даже если последний был переходным с произвольными установившейся и свободной слагающими. К дополнительным блокам относятся второй пороговый элемент 5, элемент времени 7, одновибратор 9, дифференцирующий элемент 11, два логических элемента НЕ 6, 8 и логический элемент И 10. 2 ил.

АДАПТИВНЫЙ ПУСКОВОЙ ОРГАН, содержащий адаптивный фильтр, включающий в свой состав задающий блок, нерекурсивный фильтр и первый пороговый элемент, причем информационные входы задающего блока и нерекурсивного фильтра объединены и образуют вход адаптивного пускового органа, выход нерекурсивного фильтра и вход первого порогового элемента объединены и образуют основной выход адаптивного фильтра, выход первого порогового элемента и управляющий вход задающего блока объединены и образуют дополнительный выход адаптивного фильтра, нерекурсивный фильтр выполнен на элементах задержки, умножителях и выходном сумматоре, причем первые входы умножителей подключены к выходам соответствующих элементов задержки, а вторые входы - к соответствующим выходам задающего блока, отличающийся тем, что дополнительно введены второй пороговый элемент, элемент времени, одновибратор, дифференцирующий элемент, два логических элемента НЕ и логический элемент И, при этом второй пороговый элемент включен между основным выходом адаптивного фильтра и первым входом элемента И, первый элемент НЕ, элемент времени, второй элемент НЕ и одновибратор соединены каскадно и включены между дополнительным выходом адаптивного фильтра и вторым входом элемента И, а дифференцирующий блок - между выходом элемента И и входом установки задающего блока в "0".