СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ ЗАЩИТЫ ЗАЩИЩАЕМОГО УЧАСТКА ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2006 года по МПК H04B3/54 

Предлагаемый способ относится к области электроэнергетики и может быть применен в каналообразующей аппаратуре релейной защиты (РЗ), использующей для передачи информации высокочастотные (ВЧ) каналы высоковольтных линий (ВЛ) электропередач. Аппаратура данного назначения, выполняемая на современной микропроцессорной и микроэлектронной базе, используется на ВЛ напряжением от 110 до 500 кВ для обеспечения работы дифференциально-фазных защит (ДФЗ) различных типов, а также других видов защит, использующих передачу блокирующих сигналов.

Известен способ формирования сигнала управления ДФЗ, описанный в [1], который реализован в серийно выпускаемых в настоящее время устройствах типа ПВЗУ-Е, а также ряде других: УП3-70, ПВ3-90, ПВЗУ-М, находящихся в эксплуатации на энергообъектах РФ и стран ближнего зарубежья.

Способ согласно прототипу заключается в сравнении фаз линейных токов промышленной частоты (с номинальным значением 50 Гц), протекающих через концы защищаемого участка ВЛ. Если на обоих концах защищаемого участка ВЛ принять в качестве исходного направление токов в какую-либо одну определенную сторону, то при коротком замыкании (КЗ) вне участка токи (как и при нормальной работе) будут совпадать по фазе, а при внутреннем КЗ будут противоположны. При этом во время определенных (положительных или отрицательных) полупериодов тока, протекающего через соответствующий конец, передают ВЧ-сигнал с одного конца защищаемой ВЛ на другой, причем таким образом, что с одного конца передачу осуществляют в положительные полупериоды, а с другого - в отрицательные, в течение же других полупериодов передачу прерывают. При возникновении КЗ за пределами защищаемого участка ВЧ-сигнал, принятый от дальнего передатчика, будет заполнять промежутки между ВЧ-сигналами своего передатчика, поэтому приемник на данной стороне, принимающий оба сигнала, примет непрекращающийся ВЧ-сигнал точно так же, как и при отсутствии аварийной ситуации (КЗ). При возникновении КЗ на защищаемом участке ток на одном из концов защищаемой ВЛ изменит свое направление, и ВЧ-сигналы передачи от удаленного и своего концов приблизительно совпадут по времени друг с другом. Приемники, установленные на обоих концах защищаемой ВЛ, в этом случае будут принимать прерывистый сигнал. Таким образом, в приемнике производится сравнение времени передачи сигналов от своего и удаленного передатчиков. Прерывистый сигнал (наличие «просечек» в принятом сигнале) на выходах приемников свидетельствует о КЗ на защищаемом участке ВЛ и линию электропередачи необходимо отключать.

Описанный способ реализуют, используя метод амплитудной манипуляции (АМн) ВЧ-сигнала, при котором для посылки сигнала определенной частоты и амплитуды с одного конца на противоположный используют только один полупериод тока (10 мс), а в течение другого полупериода передачу не производят (амплитуда равна нулю). Прием сигнала на противоположной стороне осуществляют, фильтруя избирательным приемником посланный ВЧ-сигнал, фиксируя с помощью амплитудного детектора только сам факт наличия сигнала определенной частоты, игнорируя величину его амплитуды.

Способ по прототипу, однако, имеет ряд существенных недостатков.

Один из них связан с невысокой помехоустойчивостью, принципиально свойственной передаче сигналов с использованием амплитудной манипуляции, когда собственный или наведенный от ВЛ шум, принятый во время пауз в передаче передатчиков, может быть ошибочно принят за сигнал. В результате такого маскирования сигнала шумом КЗ, возникшее в ВЛ, может оказаться необнаруженным.

Другой недостаток - высокий уровень паразитных (внеполосных) излучений, который также принципиально присущ АМн сигналу. Эти внеполосные излучения ухудшают условия приема для соседних ВЧ-каналов передачи иной информации по ВЛ (диспетчерская связь, телеметрия). Приходится осуществлять значительный разнос несущих частот каналов передачи различной информации по ВЛ. Эта трудность усугубляется указанным выше первым недостатком, когда для обеспечения заданной надежности передачи информации о КЗ из-за шумов канала связи приходится осуществлять эту передачу с весьма высоким уровнем ВЧ-сигнала, а следовательно, и высоких уровнях помех для соседних каналов приема. Вследствие высокого уровня помех соседним каналам передачи информации канал проверки КЗ (ДФЗ) включают только на короткое время (специальным сигналом «ПУСК»), который вырабатывают после идентификации факта КЗ с помощью других устройств. Так как для такой идентификации требуется какое-то время (6-8 мс), то, соответственно, отодвигается и момент определения с помощью ДФЗ места КЗ (вне или внутри защищаемого участка ВЛ).

С точки зрения экономии частотного диапазона и затрат на каналообразующую аппаратуру, желательно в сравнительно узком диапазоне частот (до 4 кГц) и соответственно в одном устройстве совместно с блокирующими сигналами передавать сигналы защит других типов, к которым относятся разрешающие и отключающие сигналы. Кроме того, во многих случаях требуется дополнительно осуществлять дуплексную передачу сигналов противоаварийной автоматики, данных и телефонии. Для того, чтобы совместить способ передачи сигналов ДФЗ, описанный в прототипе, с одновременной передачей других сигналов, необходимо обеспечить их необходимую взаимную развязку при передаче и приеме. Для описанного способа передачи сигналов ДФЗ требуется полоса частот порядка 1.5 кГц и малые задержки при обработке сигнала на приеме (порядка 0.5-1 мсек), что реализуется фильтрами с относительно пологими скатами, имеющими невысокие фильтрующие характеристики. При этом во избежание взаимного влияния необходимо существенно разносить полосу передачи/приема сигналов ДФЗ с полосами передачи/приема остальных типов сигналов. В результате получается достаточно проблематичным решение актуальной для электроэнергетики задачи реализации комбинированного устройства передачи сигналов (релейной) защиты (и управления) ВЛ одним приемопередающим устройством.

Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости передачи сигналов ДФЗ и обеспечение возможности одновременной двусторонней передачи других типов сигналов в узком диапазоне частот. Она решается способом формирования сигнала управления дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) защищаемого участка высоковольтной линии (ВЛ) электропередач, основанным на одновременной передаче высокочастотных (ВЧ)-сигналов с каждой из противоположных сторон защищаемого участка ВЛ и их приеме, в свою очередь, на соответствующих противоположных сторонах защищаемого участка ВЛ, заключающимся в том, что на каждой из сторон защищаемого участка ВЛ путем сравнения предварительно установленного порога с величиной тока промышленной частоты формируют сигналы модуляции передачи, несущие информацию о фазах тока промышленной частоты, протекающего через соответствующую сторону защищаемого участка ВЛ, которыми манипулируют параметром ВЧ-сигналов, передаваемых одновременно с каждой из сторон защищаемого участка ВЛ и соответственно принимаемых на противоположных сторонах защищаемого участка ВЛ, а при приеме на каждой из противоположных сторон защищаемого участка ВЛ этих посланных сигналов формируют сигналы управления ДФЗ путем сравнения во времени сигналов модуляции передаваемых и принимаемых ВЧ-сигналов, соответствующих фазам тока на противоположных сторонах защищаемой ВЛ, отличающимся тем, что в качестве параметра манипуляции выбирают частоту ВЧ-сигнала, дополнительно формируют опорные сигналы приема путем частотного детектирования ВЧ-сигнала и последующего сравнения каждой из полуволн полученного сигнала с предварительно установленными для каждой из полуволн порогами, также одновременно дополнительно формируют опорные сигналы передачи, которые получают в результате фильтрации сигнала модуляции передачи, задержки его на определенное время и сравнения каждой из полуволн полученного сигнала с предварительно установленными для каждой из полуволн порогами, а сравнение во времени сигналов модуляции передаваемых и принимаемых ВЧ-сигналов выполняют путем сравнения во времени опорных сигналов приема с опорными сигналами передачи.

Таким образом, передача информации о фазе тока с одной стороны защищаемого участка ВЛ на другую по предлагаемому способу осуществляется с использованием не амплитудно-манипулированного, а частотно-манипулированного сигнала. Одному полупериоду тока промышленной частоты соответствует передача на одной частоте, другому - на другой. Прием сигнала (извлечение информации о фазе передаваемого тока) осуществляют его частотным детектированием (ЧД), которое обеспечивает более высокую помехоустойчивость по сравнению с амплитудным детектированием в прототипе. В прототипе сравнение фаз передачи/приема в соответствии с периодом промышленной частоты осуществляется в два раза реже, т.е. с периодичностью 20 мс. В зависимости от того, в какой момент относительно фазы тока промышленной частоты произойдет КЗ, фиксация «просечек» может происходить с дополнительным запаздыванием (до 20 мс). В предлагаемом способе, поскольку результирующий сигнал после ЧД имеет положительный и отрицательный ходы полуволн, время принятия решения о выдаче сигнала защиты происходит в два раза чаще и дополнительная задержка до принятия решения сокращается вдвое.

Этот выигрыш по быстродействию в принятии решения о выдаче сигнала управления ДФЗ можно использовать для более качественной полосовой фильтрации частотного подканала ДФЗ как на стороне передачи для уменьшения влияния на соседние подканалы, так и на стороне приема для улучшения избирательности. Эта фильтрация приведет к задержке сигнала, которую нужно будет учесть при сравнении по времени с сигналом передачи. Но в результате, при сохранении того же быстродействия (расходуя запас 10 мс) получим дополнительный выигрыш по помехоустойчивости из-за сужения полосы приема. Основной выигрыш в помехоустойчивости (и в существенном уменьшении уровня побочных излучений помех соседним приемникам) получается вследствие того, что ЧМн сигнал излучается с неизменной амплитудой. При этом, несмотря на то, что для передачи сигналов ДФЗ необходимо использовать два отдельных канала, общая их ширина оказывается меньше и появляется возможность в узкой полосе частот (до 4 кГц) организовать одновременную передачу других видов информации.

На чертеже приведен пример реализации устройства по способу формирования сигнала управления ДФЗ.

Существует несколько вариантов реализации предложенного способа, основанных на одном общем принципе, согласно которому нужно выполнить два приемопередатчика, каждый из которых устанавливается на одной из противоположных сторон защищаемого участка ВЛ. Защищаемый участок ВЛ одновременно используется в качестве канала связи между упомянутыми приемопередатчиками. Частотный диапазон передачи одного из приемопередатчиков, установленного на одной из сторон защищаемого участка, соответствует частотному диапазону приема другого, находящегося на противоположной стороне защищаемого участка, и наоборот, частотный диапазон приема указанного приемопередатчика соответствует частоте передачи приемопередатчика, установленного на противоположной стороне. Каждый из приемопередатчиков, в свою очередь, состоит из (см. чертеж) микропроцессора, входного порогового устройства (ВПУ), цифроаналогового преобразователя (ЦАП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), усилителя мощности (УМ) и линейного фильтра (ЛФ). Микропроцессор содержит одновременно передающую, приемную и исполнительную части. На вход ВПУ подается ток промышленной частоты, который, сравниваясь с установленным порогом, преобразуется в ВПУ в сигнал модуляции передачи, представляющий собой дискретный сигнал, по форме напоминающий меандр. Этот сигнал поступает на вход передающей части микропроцессора, которая работает по заранее составленной программе и представляет собой управляемый синтезатор частоты, содержащая также цифровой низкочастотный фильтр и линию задержки. По высокому уровню сигнала модуляции передачи, поступающего от ВПУ, в качестве параметра синтезатору задается одна частота, по низкому - другая. Выходные отсчеты синтезатора, последовательность которых представляет собой ЧМн сигнал, выводятся на ЦАП, где они преобразуются в аналоговый ВЧ-сигнал, который, в свою очередь, усиливается до необходимого уровня в УМ и через ЛФ поступает в канал связи. Одновременно от приемопередатчика, установленного на противоположной стороне защищаемого участка ВЛ, по каналу связи на ЛФ приемопередатчика, установленного на своей стороне, поступает ВЧ-сигнал, который подается на АЦП, где преобразуется в последовательность отсчетов принимаемого сигнала. Приемная часть микропроцессора, работающая по заранее составленной программе, представляет собой цифровой частотный детектор и содержит также амплитудный ограничитель. Последовательность отсчетов принимаемого сигнала из АЦП поступает в приемную часть микропроцессора, где обрабатывается программой частотного детектора. В результате обработки получается последовательность отсчетов, по своей форме напоминающая синусоидальный сигнал, состоящий из двух полуволн, каждая из которых соответствует определенной фазе тока на противоположной стороне защищаемого участка ВЛ.

Следует заметить, в заявляемом способе количество опорных сигналов не конкретизируется, но подразумевается формирование опорных сигналов передачи и приема для обоих полуволн тока промышленной частоты. Отдельно фиксируя положительный и отрицательный ход фазы тока, длительность которых при частоте тока, протекающего через защищаемый участок, в 50 Гц, составляет по 10 мс, чего можно добиться на приемной стороне только с помощью частотного детектирования принятого частотно-манипулированного ВЧ-сигнала, имеется возможность сократить время реакции на резкое изменение фазы тока на одной из сторон защищаемого участка до половины периода тока промышленной частоты (10 мс) против 20 мс при использовании амплитудного детектирования амплитудно-манипулированного ВЧ-сигнала в прототипе.

Каждый отсчет полученной последовательности, относящийся к одной из ее полуволн, например положительной, сравнивается с одним из предварительно установленных порогов, а каждый отсчет, относящийся к другой из полуволн (отрицательной), сравнивается с другим из предварительно установленных порогов.

В результате сравнения формируются две независимые последовательности опорных сигналов приема. Причем отсчеты в них представлены в дискретной форме (логическая 1 и логический 0). Одна из полученных последовательностей относится к положительной фазе тока промышленной частоты на противоположной стороне защищаемого участка ВЛ, другая - к отрицательной. Каждая из полученных последовательностей (одна - прямо, другая - инверсно) с задержкой, равной задержке распространения сигнала по каналу связи, сложенной с задержкой обработки сигнала в приемной части при детектировании, повторяет сигнал модуляции передачи, сформированный в ВПУ.

Для компенсации указанной задержки, а также для упрощения получения опорных сигналов передачи сигнал модуляции передачи преобразуется в последовательность отчетов, которая подвергается фильтрации цифровым низкочастотным фильтром с таким расчетом, чтобы форма сигнала модуляции передатчика, полученного после фильтрации, приблизительно совпадала формой сигнала приема, полученной после частотного детектора, временное совпадение обоих опорных сигналов обеспечивается дополнительным временным сдвигом в цифровой линии задержки. В результате фильтрации получается последовательность отсчетов, напоминающая последовательность, полученную в приемной части, после частотного детектирования принятого ВЧ-сигнала. Полученная последовательность состоит из двух полуволн. Каждый отсчет полученной последовательности, относящийся к одной из ее полуволн, например положительной, сравнивается с одним из предварительно установленных порогов, а каждый отсчет, относящийся к другой из полуволн, сравнивается с другим из предварительно установленных порогов. В результате сравнения получаются две независимые последовательности опорных сигналов передачи. Одна из них относится к положительной фазе тока промышленной частоты на своей стороне защищаемого участка ВЛ, другая - к отрицательной. Причем отсчеты представлены в дискретной форме (логическая 1 и логический 0).

Итак, получены четыре последовательности опорных сигналов: две из которых - последовательность опорного сигнала приема, относящегося к положительной фазе тока на противоположной стороне защищаемого участка, и последовательность опорного сигнала приема, относящегося к отрицательной фазе тока на противоположной стороне защищаемого участка, относятся к приемной части микропроцессора, остальные две - последовательность опорного сигнала передачи, относящегося к положительной фазе тока на своей стороне защищаемого участка, и последовательность опорного сигнала передачи, относящегося к отрицательной фазе тока на своей стороне защищаемого участка, относятся к передающей части микропроцессора.

Указанные последовательности поступают в исполнительную часть микропроцессора, где производится формирование сигнала управления ДФЗ в результате сравнения во времени этих последовательностей. Эта операция производится следующим образом. Независимо друг от друга производится логическое умножение (операция ЛОГИЧЕСКОЕ И) между отсчетами опорного сигнала приема, относящегося к положительной фазе тока на противоположной стороне, и отсчетами опорного сигнала передачи, относящегося к положительной фазе тока на своей стороне, и логическое умножение между отсчетами опорного сигнала приема, относящегося к отрицательной фазе тока на противоположной стороне, и отсчетами опорного сигнала передачи, относящегося к отрицательной фазе тока на своей стороне. После чего формируют непрерывный сигнал управления ДФЗ как логическое сложение (ЛОГИЧЕСКОЕ ИЛИ) между результатами двух предыдущих логических умножений.

В случае, когда фазы токов промышленной частоты на противоположных сторонах совпадают, и ВЧ-сигнал передается с противоположной стороны защищаемого участка на свою без помех, результирующий сигнал управления ДФЗ в результате выполнения всех упомянутых операций будет иметь постоянно высокий логический уровень («1»). Когда фазы не совпадут (КЗ на защищаемом участке) в сигнале управления ДФЗ будут присутствовать «просечки» (лог.«0»), что вызовет срабатывание защиты.

Поскольку программа микропроцессора обрабатывает цифровые последовательности, соответствующие сигналу на высокой частоте в заданном диапазоне частот от 20 до 1000 кГц, требуется высокая производительность микропроцессоров, от 300 и более миллионов арифметических операций в секунду, и приемопередатчик может быть реализован, например, на 16-разрядных микропроцессорах серии BFxxx, 32-разрядных серии SHARC, производства фирмы Analog Devices или на микропроцессорах серии TMS320c50/60 фирмы Texas Instruments.

При формировании последовательностей опорных сигналов передачи и приема необходимо учесть флюктуации фронтов импульсов, обусловленные помехами в канале связи и переходными процессами при КЗ. Сравниваемые опорные сигналы во избежание ложных срабатываний должны иметь дополнительное перекрытие по фазе, которого достигают путем установки ненулевых порогов при их формировании. Величиной порогов регулируют дополнительную длительность защитного промежутка, достигающую величины порядка 30 град. Подобное перекрытие сигналов передачи и приема в прототипе достигается выбором ненулевого порога при формировании сигналов модуляции передатчиков.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения состоит в существенном повышении помехоустойчивости передачи сигналов ДФЗ по ВЧ-каналам связи ВЛ при одновременном уменьшении величины задержки сигнала и сужении полосы передачи/приема, что в конечном итоге дает возможность осуществить надежную двустороннюю передачу в узком частотном диапазоне (до 4 кГц) несколько различных типов сигналов.

Использованные источники информации

1. Г.В.Микуцкий. Каналы высокочастотной связи для релейной защиты и автоматики. М.: «Энергия», 1977.

2. В.В.Палшков. Радиоприемные устройства. М.: «Связь», 1965.

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в каналообразующей аппаратуре релейной защиты, использующей высоковольтные линии электропередач. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости передачи сигналов дифференциально-фазной защиты и обеспечение возможности одновременной двусторонней передачи других типов сигналов в узком диапазоне частот. В способе, основанном на одновременной передаче высокочастотных сигналов (ВЧ) с каждой из противоположных сторон защищаемого участка (ЗЛ) и их приеме, осуществляют частотную манипуляцию ВЧ сигнала, частотное детектирование ВЧ сигнала и сравнение каждой из полуволн полученного сигнала с предварительно установленными для каждой из полуволн порогами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования сигнала управления дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) защищаемого участка высоковольтной линии (ВЛ) электропередач, основанный на одновременной передаче высокочастотных (ВЧ) сигналов с каждой из противоположных сторон защищаемого участка ВЛ, и их приеме, в свою очередь, на соответствующих противоположных сторонах защищаемого участка ВЛ, заключающийся в том, что на каждой из сторон защищаемого участка ВЛ путем сравнения предварительно установленного порога с величиной тока промышленной частоты формируют сигналы модуляции передачи, несущие информацию о фазах тока промышленной частоты, протекающего через соответствующую сторону защищаемого участка ВЛ, которыми манипулируют параметром ВЧ сигналов, передаваемых одновременно с каждой из сторон защищаемого участка ВЛ, и соответственно, принимаемых на противоположных сторонах защищаемого участка ВЛ, а при приеме на каждой из противоположных сторон участка ВЛ этих посланных сигналов формируют сигналы управления ДФЗ путем сравнения во времени сигналов модуляции передаваемых и принимаемых ВЧ сигналов, соответствующих фазам тока на противоположных сторонах защищаемой ВЛ, отличающийся тем, что в качестве параметра манипуляции выбирают частоту ВЧ сигнала, дополнительно формируют опорные сигналы приема путем частотного детектирования ВЧ сигнала и последующего сравнения каждой из полуволн полученного сигнала с предварительно установленными для каждой из полуволн порогами, также одновременно дополнительно формируют опорные сигналы передачи, которые получают в результате фильтрации сигнала модуляции передачи, задержки его на определенное время и сравнения каждой из полуволн полученного сигнала с предварительно установленными для каждой из полуволн порогами, а сравнение во времени сигналов модуляции передаваемых и принимаемых ВЧ сигналов выполняют путем сравнения во времени опорных сигналов приема с опорными сигналами передачи.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частотное детектирование производят путем последовательного выполнения амплитудного ограничения принятого сигнала, фильтрации каждой его частотной составляющей и определения разности результатов амплитудного детектирования обеих полученных составляющих.