СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ СЛАГАЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ Российский патент 2015 года по МПК G01R23/167 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите и автоматике (РЗА) электрических систем.

Известен способ выделения слагаемой электрической величины, реализованный в устройстве (SU 840922 A1, опубликовано 23.06.1981, «Устройство для цифровой фильтрации на основе дискретного преобразования Фурье»), согласно которому электрическую величину преобразуют в цифровой сигнал путем аналого-цифрового преобразования и выделяют ортогональные составляющие гармоники электрической величины посредством преобразования Фурье. Способ имеет методическую погрешность, поскольку преобразование Фурье не может подавить апериодическую составляющую и гармоники, частоты которых не кратны частоте выделяемой слагаемой.

Этот недостаток устранен в способе (RU 2012086 C1, опубликовано 30.04.1994), в котором электрическую величину измеряют в равномерно фиксированные моменты времени, настраивают адаптивный фильтр на полное подавление электрической величины и по корням характеристического уравнения фильтра определяют характеристические параметры слагаемых (коэффициенты затухания и частоты). Однако электрическая величина может содержать множество гармоник, апериодическую составляющую и шумы. В результате для эффективного определения структуры сигнала может потребоваться адаптивный фильтр высокого порядка, что усложнит реализацию способа (Антонов В.И., Наумов В.А., Фомин А.И. Эффективные структурные модели входных сигналов цифровой релейной защиты и автоматики // Электричество. 2012. №11. С. 2-8).

Известно, что частоты гармоник в электроэнергетической сети, как правило, кратны частоте основной гармоники. Это свойство электрической величины учтено в способе выделения основной гармоники (US 6597160 (B2), опубликовано 22.07.2003), в котором электрическую величину преобразуют в цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразования, получают промежуточный цифровой сигнал путем удаления из измеренной электрической величины всех гармоник, частоты которых кратны частоте основной гармоники. Затем из промежуточного сигнала удаляют выделяемую слагаемую (основную гармонику), определяют с помощью структурного анализа параметры оставшихся компонентов и формируют побочный цифровой сигнал как сумму упомянутых компонентов. Выделяемую слагаемую получают путем вычитания побочного сигнала из промежуточного цифрового сигнала. Способ обладает невысокой точностью при выделении слабой слагаемой электрической величины. Вызвано это тем обстоятельством, что слабая слагаемая преобразуется в цифровой сигнал путем аналого-цифрового преобразования на фоне преобладающих по уровню остальных составляющих электрического сигнала. Другими словами, вес младшего разряда АЦП будет выбран исходя из диапазона изменения преобладающей части электрической величины, что может привести к потере возможности выделения слабой слагаемой.

Этот способ является наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату и принят за прототип.

Техническим результатом изобретения является повышение точности выделения слагаемой электрической величины на фоне преобладающих составляющих.

С этой целью в известном способе выделения слагаемой электрической величины, согласно которому электрическую величину преобразуют в цифровой сигнал путем аналого-цифрового преобразования, формируют побочный цифровой сигнал, свободный от выделяемой слагаемой, вводят новые действия, позволяющие существенно повысить точность выделения слабой слагаемой. Суть этих операций заключается в том, что упомянутый побочный цифровой сигнал преобразуют в непрерывный сигнал путем цифроаналогового преобразования, вычитают непрерывный сигнал из электрической величины и тем самым формируют дополнительный аналоговый сигнал. После этого посредством аналого-цифрового преобразования дополнительного аналогового сигнала получают отсчеты выделяемой слагаемой. Диапазон изменения дополнительного аналогового сигнала в этом случае будет существенно меньше по сравнению с диапазоном изменения электрической величины, что позволяет уменьшить вес младшего разряда АЦП и повысить точность выделения слабой слагаемой.

Одним из вариантов формирования побочного цифрового сигнала является получение его в виде суммы компонентов, частоты и коэффициенты затухания которых определяются по корням характеристического уравнения адаптивного фильтра, за исключением корней выделяемой слагаемой. При этом адаптивный фильтр настраивают на полное подавление цифрового сигнала. Это позволяет определить параметры преобладающей части цифрового сигнала как в переходном, так и установившемся режимах электрической сети.

Другим вариантом формирования побочного цифрового сигнала является получение его в виде гармоник посредством преобразования цифрового сигнала фильтром Фурье. Это позволяет упростить способ в случае, когда электрическая величина включает в себя только кратные гармоники известной частоты.

Электрическая величина может быть предварительно обработана с помощью линейного фильтра с целью подавления, например, высокочастотной части спектра сигнала и т.п.

На чертеже приведена блок-схема, поясняющая предложенный способ. Суть изобретения заключается в следующем. Пусть электрическая величина

содержит выделяемую слагаемую x₀(t) и побочный сигнал x_p(t), где t - непрерывное время. Электрическая величина (1) путем аналого-цифрового преобразования превращают в цифровой сигнал

где k - дискретное время, связанное с непрерывным временем t выражением t=kT_s; T_s - период дискретизации сигнала. Разрядность АЦП в этом случае выбирается исходя из максимального значения А сигнала (1), достигаемого при максимальных значениях амплитуд X_0,max и X_p,max выделяемой x₀(t) и побочной x_p(t) составляющих:

Для повышения разрешающей способности АЦП в способе из электрической величины (1) удаляют побочный сигнал x_p(t). Поэтому максимальная амплитуда на входе АЦП будет

что меньше, чем максимальная амплитуда А согласно (2). Это позволит уменьшить вес младшего разряда АЦП. Как следует из сравнения максимальных амплитуд на входе АЦП по (2) и (3), уменьшение веса младшего разряда АЦП будет кратно величине

Эффективность предложенного способа тем выше, чем больше отношение амплитуд побочной x_p(t) и выделяемой x₀(t) слагаемых (чем больше S).

Отметим, что повышение точности выделения слабой слагаемой возможно только тогда, когда побочный сигнал удаляется непосредственно из электрической величины до его аналого-цифрового преобразования. Это и составляет суть предлагаемого способа.

В самом общем случае побочный цифровой сигнал формируют как сумму компонентов, частоты и коэффициенты затухания которых определяют по корням характеристического уравнения адаптивного фильтра. Для этого осуществляют структурный анализ цифрового сигнала x(k).

Структурный анализ включает в себя несколько этапов. Вначале адаптивный цифровой фильтр

настраивают на полное подавление цифрового сигнала x(k) таким образом, чтобы невязка e(k) удовлетворяла критерию наименьших квадратов (Антонов В.И., Лазарева Н.М., Пуляев В.И. Методы обработки цифровых сигналов энергосистем. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». 2000. С. 31). Порядок фильтра М зависит от числа слагаемых электрической величины.

Затем определяют корни z _i характеристического уравнения фильтра (4)

Из множества корней z _i характеристического уравнения (5) исключают корни, ассоциированные с выделяемой слагаемой x₀(t). Если выделяемая слагаемая представляет собой апериодическую слагаемую, то исключаемый корень будет один, если затухающую синусоиду или гармонику, то корней будет два. В первом случае число корней, определяющих структуру побочного сигнала, будет равно M_δ=М-1, а во втором случае - M_δ=М-2. В дальнейшем будем полагать, что корни с номерами до M_δ включительно не содержат корни выделяемой слагаемой.

На следующем этапе структурного анализа определяют комплексные амплитуды A _i слагаемых электрической величины (Антонов В.И., Лазарева Н.М., Пуляев В.И. Методы обработки цифровых сигналов энергосистем. С. 60). Затем, используя найденные параметры слагаемых, формируют цифровой побочный сигнал

и посредством цифроаналогового преобразования (ЦАП) превращают в непрерывный сигнал

Затем, вычитают его из электрической величины (1) и получают дополнительный аналоговый сигнал x′₀(t).

Непрерывный сигнал x′_p(t) будет близок к побочному сигналу x_p(t) электрической величины. Отличие между ними будет зависеть от разрядности цифроаналогового преобразователя и разрешающей способности структурного анализа и, как правило, не столь значительно. В результате отсчеты x₀(k) получаются путем аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала x′₀(t), близкого к выделяемой слагаемой x₀(t).

Способ сохраняет работоспособность при изменении частоты выделяемой слагаемой в широких пределах, поскольку использует операции, свойства которых не зависят от частоты.

В случае когда электрическая величина состоит из ограниченного и известного числа гармоник, для формирования побочного цифрового сигнала x_p(k) по (6) используют уже известные корни $${\underset{\_}{z}}_i=e^{j{\omega }_i{T}_s}$$ и комплексные амплитуды $${\underset{\_}{A}}_i$$ , определяемые посредством фильтра Фурье на частотах ω_i.

При необходимости электрическая величина может быть предварительно обработана с помощью линейного фильтра с заданной частотной характеристикой.

Таким образом, за счет удаления из электрической величины побочной составляющей удалось повысить точность выделения слагаемой электрической величины.

Способ выделения слагаемой электрической величины относится к области электротехники, а именно к релейной защите и автоматике электрических систем. Технический результат заключается в повышении точности выделения слагаемой электрической величины на фоне других преобладающих составляющих. Способ выделения слагаемой электрической величины, согласно которому электрическую величину преобразуют в цифровой сигнал путем аналого-цифрового преобразования и формируют побочный цифровой сигнал, свободный от выделяемой слагаемой. Затем упомянутый побочный цифровой сигнал преобразуют в непрерывный сигнал путем цифроаналогового преобразования, вычитают непрерывный сигнал из электрической величины и тем самым формируют дополнительный аналоговый сигнал. После этого посредством аналого-цифрового преобразования дополнительного аналогового сигнала получают отсчеты выделяемой слагаемой. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ выделения слагаемой электрической величины, согласно которому электрическую величину преобразуют в цифровой сигнал путем аналого-цифрового преобразования и формируют побочный цифровой сигнал, свободный от выделяемой слагаемой, отличающийся тем, что упомянутый побочный цифровой сигнал преобразуют в непрерывный сигнал путем цифроаналогового преобразования, вычитают непрерывный сигнал из электрической величины и тем самым формируют дополнительный аналоговый сигнал, посредством аналого-цифрового преобразования которого получают отсчеты выделяемой слагаемой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрическую величину предварительно обрабатывают с помощью линейного фильтра.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что побочный цифровой сигнал получают как сумму компонентов, частоты и коэффициенты затухания которых определяются по корням характеристического уравнения адаптивного фильтра, за исключением корней выделяемой слагаемой, причем адаптивный фильтр настраивают на полное подавление цифрового сигнала.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что побочный цифровой сигнал в виде гармоник получают посредством обработки упомянутого цифрового сигнала фильтром Фурье.