СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H02H3/30 

Область техники

Изобретение относится к электроэнергетике и, в частности, к области высокочастотных релейных защит линий электропередачи (ЛЭП). Функционирование высокочастотных релейных защит включает обмен сигналами между полукомплектами защит, установленными на противоположных концах защищаемой линии. Сигналы релейной защиты передаются по каналам высокочастотной (ВЧ) связи, организованным, как правило, по проводам защищаемых ЛЭП.

Уровень техники

Высокочастотные защиты используют сигналы релейной защиты двух видов:

- двухпозиционные сигналы дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) или направленной защиты ЛЭП с высокочастотной блокировкой (защиты с ВЧБ), несущие информацию о фазе или направлении тока на удаленном конце линии (далее блокирующие сигналы);

- контрольный сигнал и сигналы команд (разрешающие или отключающие), которые используются для управления удаленным полукомплектом защиты, например дистанционной защитой с телеускорением.

В качестве прототипа заявляемого способа выбран известный способ передачи сигналов релейной защиты, включающий передачу двухпозиционного блокирующего сигнала, контрольного сигнала и n-ой команды сигналом, сдвинутым по частоте относительно контрольного сигнала [1, стр.388-395].

Передача блокирующего сигнала по способу-прототипу осуществляется амплитудной манипуляцией несущей. Для передачи сигнала о фазе тока на конце линии (случай ДФЗ) несущую манипулируют по амплитуде током линии [1, стр.393], а для передачи сигнала блокировки направленной защиты (случай защиты с ВЧБ) несущую посылают на время внешнего короткого замыкания [1, стр.394].

Контрольный сигнал и команды по способу-прототипу представляют собой одночастотные сигналы, при этом n-ая команда передается соответствующим сдвигом частоты посылаемого сигнала относительно частоты контрольного сигнала [1, стр.402].

Для реализации способа-прототипа используются два вида аппаратуры передачи-приема сигналов, основанные на разных методах, и отдельные телефонные каналы ВЧ связи для передачи команд и блокирующих сигналов.

Недостаток способа-прототипа - потребность в широкой полосе частот связи, дороговизна и сложность реализации, низкая помехоустойчивость передачи блокирующих сигналов.

В качестве прототипа заявляемого устройства выбрано известное устройство [2], осуществляющее передачу сигналов релейной защиты по способу-прототипу, которое содержит генераторный блок, снабженный цепями управления, предназначенными для подключения к местному полукомплекту релейной защиты, и декодер команд.

Устройство [2] обеспечивает передачу и прием команд, предназначенных как для релейной защиты, так и для противоаварийной автоматики, однако для передачи блокирующих сигналов релейной защиты в комплекты защит ЛЭП приходится дополнительно вводить специализированные приемопередатчики [3], требующие отдельной полосы частот.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения - сокращение полосы частот ВЧ связи, используемой для передачи и приема сигналов релейной защиты, удешевление и упрощение аппаратуры, повышение помехоустойчивости передачи блокирующего сигнала.

Предметом изобретения является способ передачи и приема сигналов релейной защиты, включающий передачу двухпозиционного блокирующего сигнала, контрольного сигнала и n-ой команды сигналом, сдвинутым по частоте относительно контрольного, отличающийся, согласно изобретению, тем, что передают блокирующий сигнал путем частотной манипуляции несущей с девиацией, значение которой при передаче n-ой команды изменяют относительно девиации, соответствующей контрольному сигналу, на величину, зависящую от n, принимают блокирующий сигнал путем определения знака отклонения частоты сигнала от частоты несущей, а контрольный сигнал и команды принимают путем определения величины девиации.

Предметом изобретения является также устройство передачи и приема сигналов релейной защиты для осуществления раскрытого выше способа, содержащее генераторный блок, выполненный с возможностью формирования несущей, частотно манипулированной с переменным значением девиации, и снабженный цепями управления и манипуляции, декодер команд, выполненный с возможностью декодирования n-ой команды по величине девиации частотно манипулированного сигнала, и детектор блокирующего сигнала, выполненный с возможностью двухпозиционного детектирования частотно манипулированного сигнала с переменным значением девиации.

Уточнение изобретения предусматривает возможность выполнения детектора блокирующего сигнала в виде фильтра верхних частот и фильтра нижних частот, входы которых объединены, а выходы через выпрямители подключены к двум входам компаратора.

В зависимости от того, входит ли в состав местного полукомплекта релейной защиты защита с ВЧБ или ДФЗ, требуется обмен блокирующими сигналами различного вида.

Для случая применения изобретения совместно с полукомплектом защиты с ВЧБ связь с ним осуществляется непосредственно с выхода детектора блокирующего сигнала.

Для случая использования изобретения совместно с полукомплектом ДФЗ развитие изобретения предусматривает установку элемента связи, выполненного в виде смесителя, к первому входу которого подключен выход детектора блокирующего сигнала, а ко второму - выход дополнительно введенного корректирующего фазовращателя, вход которого и выход смесителя предназначены для связи с полукомплектом ДФЗ.

Это обеспечивает полное функциональное сопряжение устройства со всеми применяемыми в настоящее время полукомплектами высокочастотных защит без их доработки.

Современные средства передачи и приема сигналов релейной защиты, как правило, реализуют на базе микропроцессорных устройств, программируемых для осуществления соответствующих функций (так называемая цифровая реализация) [4], [5].

Вариант устройства, осуществляющего предложенный способ в цифровой реализации, содержит подключенные к системной магистрали блок сопряжения с каналом связи, снабженный линейным входом и линейным выходом, блок входных цепей управления и манипуляции, блок выходных цепей и блок цифровой обработки, запрограммированный с возможностью формирования на линейном выходе частотно манипулированной несущей с девиацией, зависящей от состояния цепей управления, и с возможностью изменения состояния выходных цепей в соответствии со знаком и абсолютной величиной отклонения частоты на линейном входе от частоты несущей.

Развитие этого варианта изобретения, обеспечивающее функциональное сопряжение устройства со всеми применяемыми в настоящее время полукомплектами высокочастотных защит без их доработки, предусматривает выполнение устройства с возможностью сдвига по фазе сигнала цепи манипуляции и объединения сдвинутого по фазе сигнала с сигналом выходной цепи, соответствующим знаку отклонения частоты на линейном входе от частоты несущей.

Краткое описание фигур

На фиг.1 представлена блок-схема приемопередатчика, иллюстрирующая, с учетом развития изобретения, осуществление предлагаемых способа и устройства для передачи и приема сигналов релейной защиты. На фиг.2 представлена частотная диаграмма сигналов, на фиг.3 - фрагмент схемы декодера команд, поясняющий его возможную реализацию, на фиг.4 - характеристики затухания фильтров детектора блокирующего сигнала. На фиг.5 представлена структура микропроцессорного устройства, осуществляющего цифровую реализацию предлагаемого изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показаны:

1 - генераторный блок, снабженный цепями управления, предназначенными для подключения к местному полукомплекту релейной защиты;

2 - декодер команд;

3 - детектор блокирующего сигнала,

4 - усилительно-преобразовательный тракт передачи;

5 - усилительно-преобразовательный тракт приема;

Выход 6 блока 1 подключен к каналу связи через тракт 4, а вход 7 декодера 2 и вход 8 детектора 3 - через тракт 5.

Тракт 4 и тракт 5 предназначены для согласования с каналом ВЧ связи. Они могут не входить в состав устройства для осуществления предложенного способа, а быть элементами аппаратуры канала ВЧ связи (каналообразующей аппаратуры), к которой в этом случае подключаются выход 6 блока 1 и входы 7 и 8 блоков 2 и 3.

Выход 9 блока 3 предназначен для связи с местным полукомплектом релейной защиты с ВЧБ.

На фиг.1 с учетом развития изобретения также показаны: элемент связи в виде смесителя 10, к первому входу которого подключен выход 9 детектора 3, а ко второму - выход корректирующего фазовращателя 11. Вход фазовращателя 11 и выход смесителя 10 предназначены для связи с местным полукомплектом ДФЗ. При этом ко входу фазовращателя 11 и входу блока 1 может подводится один и тот же сигнал "Манипуляция" от ДФЗ.

На фиг.1 также показано выполнение детектора 3, согласно развитию изобретения, в виде фильтра 12 верхних частот и фильтра 13 нижних частот, входы которых объединены и служат входом 8 детектора 3, а выходы через выпрямители 14 подключены к двум входам компаратора 15, выход которого служит выходом 9 детектора 3.

Устройство для осуществления заявляемого способа является приемопередатчиком, установленным на одном из концов защищаемой линии, и обеспечивает местному полукомплекту релейной защиты линии возможность обмена блокирующими сигналами и командами релейной защиты с удаленным полукомплектом, установленным на другом конце линии. В состав комплекта релейной защиты линии могут входить дифференциально-фазная защита или направленная защита с высокочастотной блокировкой, нуждающиеся в обмене блокирующими сигналами, а также резервные защиты, например дистанционная или токовая защита с телеускорением, нуждающиеся в обмене командами.

Блок 1 под управлением местного полукомплекта релейной защиты вырабатывает сигнал, который после преобразования в тракте 4 поступает в канал связи в виде сигнала частотой f₀±Δf, где f₀ - частота несущей, а Δf - девиация частоты.

В режиме покоя (когда местный полукомплект релейной защиты не обнаруживает короткого замыкания) в канал связи поступает сигнал с частотой f₀+Δf.

При пуске направленной защиты с ВЧБ блокирующий сигнал передается в виде сигнала частотой f₀-Δf.

При пуске ДФЗ блокирующий сигнал передается в виде двухпозиционного частотно манипулированного сигнала с частотой манипулирующего сигнала (сигнал "манипуляция" на фиг.1), равной 50 Гц, и девиацией частоты, равной Δf. При отсутствии манипулирующего сигнала передается сигнал с частотой f₀-Δf.

Во всех перечисленных случаях:

- при отсутствии команд величина Δf равна F_к (см. фиг.2), т.е. заданному значению сдвига частоты контрольного сигнала, предназначенного для контроля исправности устройства и канала связи;

- при передаче n-ой команды величина Δf равна F_n и зависит от номера n команды.

Описанная выше частотная манипуляция с управляемым значением девиации может осуществляться в блоке 1, например, путем соответствующего воздействия на изменяемый параметр резонансного контура генератора [1, стр.273] или, например, путем управляемого синтеза требуемых значений частоты с помощью делителей частоты и сумматоров импульсов [1, стр.371-373].

На приеме после преобразования в тракте 5 сигнал поступает на входы декодера 2 команд и детектора 3 блокирующего сигнала.

Декодер 2 содержит блок 16 фильтрации, разделяющий сигналы по частоте, и блок 17 декодирования.

Преобразованный в тракте 5 сигнал попадает в соответствующую полосу частот, фильтруется блоком 16 и декодируется блоком 17 в n-ую команду в соответствии с значением абсолютной величины Δf. При отсутствии контрольного сигнала и сигнала, частота которого соответствует какой-либо команде, блок 17 выдает сигнал «Неисправность».

Пример выполнения декодера 2, поясняющий формирование им n-ой команды, приведен на фиг.3. Сигналы, частота которых соответствует n-ой команде, выделяются двумя фильтрами 18 и 19, настроенными на частоты f₀+Δf_n f₀-Δf, где Δf=F_n. Аналогично контрольный сигнал выделяют два фильтра 20 и 21 с частотами настройки, соответствующими Δf=F_к. Пороговые элементы 22 фиксируют превышение установленного порога выходным сигналом соответствующего фильтра. Логические сигналы на выходах двух пороговых элементов, фиксирующих сигналы фильтров с одним значением Δf, попарно объединяются схемами 23 и 24 ИЛИ. Сигнал, соответствующий n-ой команде, с блока 24 поступает на выход блока 17 через элемент запрета 25, управляемый объединенным контрольным сигналом, полученным на выходе схемы 23. Команда проходит через элемент 25 только при отсутствии контрольного сигнала.

Детектор 3 блокирующего сигнала определяет знак отклонения частоты принятого сигнала от f₀, игнорируя величину девиации Δf.

Детектор 3, пример выполнения которого показан на фиг.1, работает следующим образом. Фильтры 12 и 13 в составе детектора 3 разделяют сигналы на лежащие выше и ниже частоты f₀ (см. фиг.4). Блоки 14 выпрямляют разделенные сигналы и подают их на разные входы компаратора 15, который выдает двухпозиционный сигнал, соответствующий знаку Δf.

В случае применения устройства с местным полукомплектом направленной защиты с ВЧБ к нему подается сигнал непосредственно с выхода 9 детектора 3.

В случае совместной работы устройства с полукомплектом ДФЗ детектор 3 может быть связан с ним через смеситель 10. При этом на другой вход смесителя 10 через корректирующий фазовращатель 11 от местного полукомплекта ДФЗ подается сигнал "Манипуляция". Скважность импульсов на выходе смесителя 10 определяется разностью фаз сигналов на двух его входах, которая с учетом корректирующего действия фазовращателя 11 соответствует разности фаз токов на концах защищаемой линии. При связи через смеситель 10 не требуется внесения каких-либо изменений в существующие полукомплекты ДФЗ при их сопряжении с предлагаемым устройством.

Возможности реализации изобретения не ограничиваются описанным выше примером, иллюстрирующим его аппаратное осуществление. Так же, как и известные средства передачи сигналов релейной защиты [4], [5], оно может быть реализовано в цифровом виде на универсальной микропроцессорной базе с использованием технологии цифровых сигнальных процессоров (DSP). При этом описанные выше функции формирования сигналов с частотным сдвигом, фильтрации, детектирования и декодирования осуществляются, как в известных устройствах, путем соответствующего программирования.

На фиг.5, иллюстрирующей цифровую реализацию изобретения, показаны:

26 - системная магистраль (шина);

27 - блок сопряжения с каналом связи, снабженный линейным входом 28 и линейным выходом 29;

30 - блок входных цепей управления и манипуляции;

31 - блок выходных цепей;

32 - блок цифровой обработки (программируемый).

Блок 27, помимо физического и параметрического сопряжения с каналом связи, выполняет функции аналого-цифрового и, возможно, цифроаналогового преобразования сигналов, поступающих со входа 28 и на выход 29 соответственно.

Программируемый блок 32 осуществляет цифровую обработку данных и управляет периферийными блоками 27, 30 и 31, обеспечивая выполнение устройством функций приемопередатчика сигналов релейной защиты. При этом согласно изобретению блок 32 запрограммирован с возможностью выполнения устройством следующих функций: формирования на линейном выходе 29 частотно манипулированной несущей с девиацией, зависящей от состояния цепей управления блока 30, и изменения состояния выходных цепей блока 31 в соответствии со знаком и абсолютной величиной отклонения частоты на линейном входе 28 от частоты несущей.

Этот вариант изобретения функционально аналогичен варианту, представленному на фиг.1 и описанному выше. Он предусматривает объединение на выходе 33 сигнала цепи 34 манипуляции, предварительно сдвинутого по фазе, с сигналом выходной цепи 35, соответствующим знаку отклонения частоты на линейном входе от частоты несущей.

Аппаратура, реализующая заявляемое изобретение (как в цифровой, так и в аналоговой форме), обладает полной функциональной сопрягаемостью с существующим отечественным оборудованием высокочастотных защит. Ее применение взамен приемопередающего оборудования аналогичного назначения, повсеместно применяемого в отечественной электроэнергетике [1, 2, 3], дает следующие преимущества:

• снижаются затраты на оборудование и его эксплуатацию, поскольку для передачи команд и блокирующих сигналов используется одна аппаратура;

• повышается помехоустойчивость передачи блокирующих сигналов и надежность защиты;

• требуется более узкая полоса частот связи, поскольку передача команд и блокирующих сигналов на одной манипулируемой несущей позволяет посылать все сигналы релейной защиты по одному телефонному каналу связи.

Промышленная применимость

Осуществление изобретения отработано на его цифровой модели. Оно может быть применено в системе высокочастотных защит ЛЭП 110-500 кВ.

Источники информации

1. Г.В.Микуцкий, B.C.Скитальцев. Высокочастотная связь по линиям электропередачи. Учебник для техникумов. - М. Энергоатомиздат, 1987.

2. Скитальцев B.C. Новая аппаратура АКПА-В для передачи сигналов противоаварийной автоматики и релейной защиты по ВЧ каналам. М. Энергоатомиздат. Электрические станции, 1992 г., №12, стр.45-53.

3. Г.Я.Рыжавский, В.С.Скитальцев. Высокочастотные каналы релейной защиты с приемопередатчиками ПВЗ-90М. Библиотека электротехника - приложение к журналу «Энергетик», М. 1999, вып.8 (11).

4. Техническое описание ETL 500.3.12. Раздел 9. Принцип действия системы передачи сигналов команд релейной защиты и противоаварийной автоматики AES550. АББ ВЭИ Метроника. 2000 г.

5. ProSoft. Цифровое устройство передачи команд РЗ и ПА по ВЧ каналу УПК-Ц. Техническое описание. Екатеринбург. 2001 г.

Использование: в области высокочастотных релейных защит линий электропередачи. Технический результат заключается в сокращении полосы частот ВЧ связи, повышении помехоустойчивости передачи блокирующего сигнала, уменьшении стоимости и упрощении аппаратуры. Способ включает передачу двухпозиционного блокирующего сигнала, контрольного сигнала и n-ой команды сигналом, сдвинутым по частоте относительно несущей f₀. Блокирующий сигнал при отсутствии команд релейной защиты передают с частотой f₀±Δf, где Δf=F_к - заданному значению сдвига частоты контрольного сигнала. При передаче n-й команды Δf=F_n, где F_n зависит от номера n-й команды. Принимают блокирующий сигнал путем определения знака отклонения частоты сигнала от частоты несущей, а контрольный сигнал и n-ю команду - путем определения величины Δf. Устройство содержит генераторный блок, на стороне передачи выполненный с возможностью формирования несущей, частотно манипулированной с переменным значением девиации, и снабженный цепями управления и манипуляции. Приемная часть устройства содержит декодер команд, выполненный с возможностью декодирования n-ой команды по величине девиации частотно манипулированного сигнала, и детектор блокирующего сигнала, выполненный с возможностью определения блокирующего сигнала по знаку отклонения частоты принятого сигнала от частоты несущей. 3 н. и 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ передачи и приема сигналов релейной защиты, включающий передачу блокирующего сигнала, контрольного сигнала и n-й команды, причем в отсутствие короткого замыкания передают сигнал с отклонением его частоты от частоты несущей f₀ на величину Δf, при пуске направленной защиты с высокочастотной блокировкой меняют знак отклонения частоты передаваемого сигнала от f₀ на противоположный, при пуске дифференциально-фазной защиты передают двухпозиционный частотно-манипулированный сигнал с частотой f₀±Δf, в отсутствие команд релейной защиты Δf±F_к, где F_к - заданное значение сдвига частоты контрольного сигнала относительно несущей, при передаче n-ой команды Δf=F_n, где F_n зависит от номера n-й команды, при этом принимают блокирующий сигнал путем определения знака отклонения частоты сигнала от f₀, а контрольный сигнал и n-ю команду - путем определения величины Δf.2. Устройство передачи и приема сигналов релейной защиты, содержащее на стороне передачи генераторный блок, снабженный цепями управления и манипуляции частотой, а на стороне приема - детектор блокирующего сигнала, выполненный с возможностью определения блокирующего сигнала по знаку отклонения частоты принятого сигнала от частоты несущей, и декодер команд, выполненный с возможностью определения контрольного сигнала и n-й команды по абсолютной величине указанного отклонения.3. Устройство по п.2, в котором детектор блокирующего сигнала выполнен в виде фильтра верхних частот и фильтра нижних частот, входы которых объединены, а выходы через выпрямители подключены к двум входам компаратора.4. Устройство по п.2 или 3, в котором установлен дополнительный элемент связи, выполненный в виде смесителя, к первому входу которого подключен выход детектора блокирующего сигнала, а ко второму - выход дополнительно введенного корректирующего фазовращателя, вход которого и выход смесителя предназначены для связи с полукомплектом дифференциально-фазной защиты.5. Устройство передачи и приема сигналов релейной защиты, содержащее подключенные к системной магистрали блок сопряжения с каналом связи, снабженный линейным входом и линейным выходом, блок входных цепей, блок выходных цепей и блок цифровой обработки, запрограммированный с возможностью формирования на линейном выходе блока сопряжения сигнала с частотой, отклоняющейся от частоты несущей на величину, зависящую от состояния входных цепей, и с возможностью изменения состояния выходных цепей в соответствии со знаком и абсолютной величины отклонения частоты сигнала на линейном входе блока сопряжения от частоты несущей.6. Устройство по п.5, которое выполнено с возможностью сдвига по фазе сигнала цепи манипуляции и объединения сдвинутого по фазе сигнала с сигналом выходной цепи, соответствующим знаку отклонения частоты на линейном входе от частоты несущей.