СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Российский патент 1998 года по МПК G01R23/165 H02J3/24 H01H83/22 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и противоаварийной автоматике электрических систем, и может быть использовано в цифровых системах защиты при прецизионном определении частоты сети.

Известен способ определения частоты электрической сети путем измерения периода электрического сигнала по моментам перехода кривой через нуль. Согласно ему, точки перехода через нуль определяются путем линейной интерполяции по двум соседним отсчетам разного знака. Способу присуща значительная методическая погрешность, вызванная недостатками интерполяции, и, кроме того, он не отстранен от влияния высших гармоник и "выбросов" в отсчетах.

Указанных недостатков в принципе лишен способ, основанный на измерении электрического сигнала в фиксированные моменты времени и настройки адаптивного фильтра на полное его подавление. Частоту электрической сети определяют по корням характеристического уравнения адаптивного фильтра. Необходимость определения корней полинома высокого порядка усложняет реализацию способа.

Предложен способ определения частоты электрической сети путем измерения электрического сигнала сети в фиксированные моменты времени, настройки адаптивного фильтра на подавление выделенного сигнала и определения частоты сети по корням характеристического уравнения адаптивного фильтра, формирования выделенного сигнала посредством подавления его высших гармоник с помощью заграждающих фильтров, разбивки выделенного сигнала на участки равной длины и настройки на каждом из них адаптивного фильтра на подавление. По корням характеристического уравнения определяют частоту для каждого из участков, формируют среднее значение частот и их отклонений от среднего значения для заданного числа смежных участков. Сравнивают абсолютные значения отклонений частот с порогом и, если они меньше порога, то среднее значение принимают за частоту сети, иначе формируют заданное число следующих смежных участков выделенного сигнала и операции повторяют снова. Новые операции, введенные в способ, позволяют автоматически определить стационарный отрезок выделенного сигнала и настроить на нем простейший адаптивный фильтр второго порядка.

Прецизионное подавление заграждающими фильтрами высших гармоник электрического сигнала достигается тем, что заграждающие фильтры выполняют с изменяемой частотой заграждения. И, если отклонения частот от среднего значения на заданном числе смежных участков превышают по абсолютной величине заданный порог, то частоты заграждения фильтров перенастраивают таким образом, чтобы подавить высшие гармонические электрического сигнала, частоты которых кратны средней частоте, и операции определения частоты повторяют снова.

Для повышения точности и надежности способа в качестве электрического сигнала сети принимают одно из напряжений сети, причем, если не удается найти заданное число смежных участков, абсолютные величины отклонений частот на которых ниже порога, то в качестве электрического сигнала берут напряжение другой фазы сети.

С целью исключения промахов в оценке значение частоты формируется для сигналов всех фазных напряжений сети, а за частоту сети принимается их среднее значение.

Суть способа заключается в выполнении следующих операций:
1. Формируется совокупность измерений (отсчетов) входного сигнала u(t) в фиксированные моменты времени t_l= lΔt , где Δt - интервал времени между отсчетами, - номер отсчета.

2. Полагается, что частота сети f известна и равна номинальной f₀.

3. Измерения входного сигнала u(l) пропускают через заграждающие фильтры и путем подавления высших гармоник получают выделенный сигнал w(l). В большинстве практических случаев достаточно подавить третью и пятую гармоники. Для этого подходит, например, фильтр второго порядка
w(l) = u(l) + au(l-1) + u(l-2)
Для подавления гармоники с известной частотой f нужно коэффициент a выбрать равным

В случае f₀ = 50 Гц и числе измерений сигнала за период основной гармоники N = 12 коэффициент a = 0 для фильтра третьей гармоники и а = - для фильтра пятой гармоники.

4. Разбивают выделенный сигнал на участки равной длины (на участки с n отсчетами). Возможны разные варианты разделения выделенного сигнала на участки. Например, участки могут быть составлены из n последовательных отсчетов, сдвинутых относительно отсчетов предыдущего участка на один. На каждом из них настраивают адаптивный фильтр, например
ε(l) = w(l)+bw(l-1)+w(l-2), (3)
в соответствии с выбранным заранее критерием. Наиболее проста настройка фильтра (3) при использовании метода наименьших квадратов. В этом случае необходимо минимизировать функцию

Критерий (4) дает следующую оценку коэффициента b адаптивного фильтра (3)

где
w(l) = w₃(l) + a₅w₃(l-1) + w₃(l-2) -
сигнал после фильтра пятой гармоники;
w₃(l) = u(l) + a₃u(l-1) + u(l-2) -
сигнал после фильтра третьей гармоники (k≥4). Необходимые коэффициенты a₅ и a₃ вычисляют по формуле (2).

5. Согласно (2) определяют частоту для каждого из участков

Для заданного числа смежных участков m формируют среднее значение частот

и их отклонения Δf_i от среднего значение

6. Сравнивают абсолютные значения отклонений частот Δf_i заданного числа m участков с порогом ξ . Если они меньше порога, т.е. выполняется неравенство

для всех , то среднее значение принимают за частоту сети. Иначе формируют заданное число m следующих смежных участков выделяемого сигнала и операции повторяют вновь, начиная с операции под номером 4.

Способ обладает тем свойством, что автоматически находит интервал стационарности входного сигнала и только после этого определяет частоту сети. Для этого используется тот факт, что на нестационарном участке входного сигнала (например, на участке с апериодической составляющей) адаптивный фильтр (3) не сможет настроиться на подавление входного сигнала. Поэтому оценка частоты f_i, по (8) будет иметь сильный разброс и некоторые отклонения частот Δf_i превысят по абсолютному значению порог ξ . И только тогда, когда входной сигнал будет стационарен (а значит выделенный заграждающими фильтрами сигнал содержит только составляющую основной частоты), фильтр (3) будет настроен на подавление, и отклонения частот Δf_i будут по абсолютной величине ниже порога.

Поскольку заграждающие фильтры настроены на подавление гармоник, частоты которых кратны номинальной частоте, то отклонение частоты сети от номинального значения вызовет ухудшение подавляющих свойств фильтров. Поэтому в сетях с высоким уровнем гармоник и с частотой, отличной от номинальной, погрешность способа возрастает, что приводит к снижению его разрешающей способности.

С той целью, чтобы избежать снижения разрешающей способности способа при отклонении частоты от номинального значения, шестую операцию способа видоизменяют следующим образом. Если для какого-либо не выполняется условие (11), то предполагают, что частота основной гармоники f электрического сигнала равна средней частоте и частоты заграждения фильтров изменяют так, чтобы подавить высшие гармоники, частоты которых кратны средней частоте. И операции определения частоты (операции 3-6) повторяют снова.

В результате способ приобретает адаптивность по отношению к частоте сети, автоматически изменяя частоты заграждения фильтров. В начальных итерациях частота сети f не будет совпадать со средней частотой , в связи с чем отклонения частот Δf_i не будут удовлетворять неравенству (11). Но оценка уже будет ближе к действительной частоте сети f. Поэтому подавляющие свойства заграждающих фильтров возрастают, что в свою очередь повышает точность способа: оценка будет еще ближе к действительному значению частоты сети f. Возникает своего рода положительная обратная связь, ускоряющая сходимость процесса определения частоты.

Дальнейшее совершенствование способа заключается в выборе наиболее выгодных с точки зрения надежности определения частоты сети электрических величин. Известно, что кривые напряжений сети менее всего подвержены действию апериодических и высших гармонических составляющих. Поэтому предлагается при определении частоты в качестве электрического сигнала принять одно из напряжений сети. Если же с помощью него не удается найти частоту сети, то в качестве электрического сигнала берут напряжение другой фазы сети.

Можно поступить и следующим образом. Сначала определить значения частот для всех фазных напряжений сети, а за частоту сети принять их среднее значение.

Таким образом, новые операции позволили упростить способ.

Предложенный способ реализован в цифровом регистраторе, используемом в Чувашском госуниверситете. Специальные исследования, проведенные на сигналах аварийных режимов реальных ЛЭП, показали эффективность способа.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и противоаварийной автоматике электрических систем, и может быть использовано в цифровых системах защиты при прецизионном определении частоты сети. В способ определения частоты в электрической сети, основанном на измерении электрического сигнала сети в фиксированные моменты времени, настройке адаптивного фильтра и определении частоты сети по корням характеристического уравнения, введены новые операции, позволяющие исключить влияние высших гармоник на точность и достоверность определения частоты сети. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ определения частоты электрической сети путем измерения электрического сигнала сети в фиксированные моменты времени, настройки адаптивного фильтра на подавление сигнала и определения частоты сети по корням характеристического уравнения адаптивного фильтра, отличающийся тем, что формируют выделенный сигнал посредством подавления высших гармоник с помощью заграждающих фильтров, разбивают выделенный сигнал на участки равной длины и на каждом из них настраивают адаптивный фильтр на подавление, определяют частоту для каждого из участков, формируют среднее значение частот и их отклонения от среднего значения для заданного числа смежных участков, сравнивают абсолютные значения отклонений частот с порогом и если они меньше порога, то среднее значение принимают за частоту сети, иначе формируют заданное число следующих смежных участков выделенного сигнала и операции повторяют. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование выделенного сигнала осуществляют с помощью заграждающих фильтров, выполненных с изменяемой частотой заграждения, и если отклонения частот от среднего значения на заданном числе участков превышают по абсолютной величине заданный порог, то частоты заграждения фильтров перестраивают так, чтобы подавить высшие гармоники электрического сигнала, частоты которых кратны средней частоте, и операции определения частоты повторяют. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве электрического сигнала сети принимают одно из напряжений сети, причем если не удается найти заданное число смежных участков, абсолютные величины отклонений частот на которых ниже порога, то в качестве электрического сигнала берут напряжение другой фазы сети. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что значение частоты формируется для сигналов всех фазных напряжений сети, а за частоту сети принимается их среднее значение.