Способ выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств Российский патент 2023 года по МПК H02H3/38 

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно, к релейной защите и автоматике электрических сетей.

Известно устройство, реализующее способ выделения слагаемой электрической величины (SU 840922 A1, опубликовано 23.06.1981), согласно которому электрическую величину преобразуют в цифровой сигнал путем аналого-цифрового преобразования и из него выделяют ортогональные составляющие гармоник электрической величины путем дискретного преобразования Фурье. Способ обладает ограниченными возможностями, поскольку позволяет выделить только гармонические слагаемые электрической величины, причем их частота должна быть заранее известна. Кроме того, способ приобретает дополнительную погрешность, если в электрической величине присутствует апериодическая составляющая.

Известен способ выделения слагаемых электрической величины, реализованный в устройстве (RU 2012086 C1, опубликовано 30.04.1994), согласно которому электрическую величину преобразуют в цифровой сигнал путем аналого-цифрового преобразования, 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 распознавания структуры сигнала требуется адаптивный фильтр высокого порядка, что приводит к увеличению окна наблюдения и, следовательно, к снижению быстродействия способа.

Наиболее близким к заявленному изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является способ выделения слагаемых электрической величины (RU 2784370 C1, опубликовано 24.11.2022), согласно которому электрическую величину преобразуют в цифровой сигнал путем аналого-цифрового преобразования и итерационно настраивают адаптивный фильтр с распределенной структурой на полное подавление цифрового сигнала. При этом адаптивный фильтр с распределенной структурой выполняют в виде каскада последовательно соединенных канонических фильтров компонентов цифрового сигнала и фильтра остаточного сигнала. Причем каждый из канонических фильтров компонентов и фильтр остаточного сигнала настраивают, например, методом наименьших квадратов в своем блоке настройки на полное подавление выходного сигнала каскада, состоящего в случае настройки канонического фильтра компонента из фильтра остаточного сигнала и канонических фильтров остальных компонентов, а в случае настройки фильтра остаточного сигнала – только из канонических фильтров компонентов. А затем по виду корней характеристического уравнения любого из адаптивных фильтров определяют характеристические параметры слагаемых электрической величины.

При использовании способа-прототипа для выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств возникает множественность решений, поскольку для каждого цифрового сигнала используется независимая настройка своего адаптивного фильтра. Причем решения, полученные для всех адаптивных фильтров, не будут взаимосвязанными несмотря на то, что они были получены для одной и той же электрической величины. Кроме того, способ требует инициализации фильтра остаточного сигнала, составляющие которого обычно неизвестны, что ухудшает сходимость настройки. Таким образом, данный способ плохо приспособлен для выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств.

Техническим результатом является повышение быстродействия способа за счет искусственного увеличения окна наблюдения путем совместной настройки адаптивных фильтров всех цифровых сигналов.

В известном способе выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств, представленных в виде цифровых сигналов со своими частотами дискретизации, для каждого цифрового сигнала итерационно настраивают соответствующий адаптивный фильтр с распределенной структурой на полное подавление цифрового сигнала, при этом каждый адаптивный фильтр выполняют в виде каскада последовательно включенных канонических фильтров компонентов сигнала, таких как апериодическая составляющая и/или 1-я, 3-я, 5-я гармоники, и фильтра остаточного сигнала. Причем структурная схема, реализующая настройку адаптивного фильтра, включает в себя каналы формирования компонентов сигнала и канал формирования остаточного сигнала, при этом каждый канал формирования компонента сигнала состоит из каскада последовательно включенных всех канонических фильтров компонентов сигнала за исключением канонического фильтра своего компонента и фильтра остаточного сигнала, а канал формирования остаточного сигнала состоит из каскада последовательно включенных всех канонических фильтров компонентов сигнала. На текущей итерации настройки адаптивного фильтра настраивают фильтр остаточного сигнала и настраивают в своем блоке настройки каждый из канонических фильтров компонентов на полное подавление выходного сигнала своего канала формирования компонента. При этом настройку всех канонических фильтров компонентов и фильтров остаточного сигнала производят, например, методом наименьших квадратов, и считают, что достигнут необходимый уровень качества настройки адаптивных фильтров, если значение целевой функции не превышает заданного порога. И по виду корней характеристического уравнения контрольного адаптивного фильтра определяют характеристические параметры, такие как частота и коэффициент затухания слагаемых электрической величины. Для достижения технического результата в способ вводят новые операции. Их сущность заключается в том, что на текущей итерации настройки адаптивных фильтров сначала настраивают фильтры остаточного сигнала, а затем канонические фильтры компонентов, при этом в схеме настройки адаптивного фильтра каждого цифрового сигнала в каналах формирования компонентов сигнала и в канале формирования остаточного сигнала используются канонические фильтры компонентов, настроенные на предыдущей итерации на подавление другого цифрового сигнала. Между тем, коэффициенты этих фильтров изменяются преобразователем с учетом частот дискретизации своего и другого цифровых сигналов. За упомянутый контрольный адаптивный фильтр принимают любой из адаптивных фильтров.

В одной из реализаций способа фильтр остаточного сигнала в схеме настройки адаптивного фильтра каждого цифрового сигнала настраивают в своем блоке настройки на полное подавление остаточного сигнала, формируемого соответствующим каскадом схемы настройки адаптивного фильтра своего цифрового сигнала.

В другой из реализаций способа фильтр остаточного сигнала принимают единым для адаптивных фильтров всех цифровых сигналов и настраивают в общем блоке настройки на подавление остаточных сигналов, формируемых соответствующими каскадами схем настройки адаптивных фильтров всех цифровых сигналов.

В следующей реализации способа цифровые сигналы с кратными частотами дискретизации приводят путем прореживания отсчетов блоком децимации к цифровым сигналам с единой частотой дискретизации, равной наибольшему общему делителю частот дискретизации упомянутых цифровых сигналов, причем шаг прореживания для каждого цифрового сигнала определяют путем деления частоты дискретизации сигнала на единую частоту дискретизации в блоке формирования шага прореживания.

В пятой реализации способа целевую функцию определяют в виде суммы квадратов разностей евклидовых норм векторов коэффициентов адаптивных фильтров всех цифровых сигналов на текущей и предыдущей итерациях настройки.

На фиг. 1 показано применение способа в схеме преобразования электрической величины x(t) различными устройствами аналого-цифрового преобразования в соответствующие цифровые сигналы , где – номер цифрового сигнала, N – число сигналов.

На фиг. 2 приведен адаптивный фильтр c распределенной структурой 1, выполненный в виде каскада последовательно соединенных канонических фильтров компонентов распознаваемого сигнала (блоки 2 – 4, , M_c – число фильтров) и фильтра остаточного сигнала (блок 5). Он настраивается таким образом, чтобы сигнал на выходе фильтра не содержал составляющих входного сигнала .

На фиг. 3 показана схема 6 настройки адаптивного фильтра 1, которая включает в себя каналы 7 – 9 формирования компонентов сигнала, блоки настройки 10 – 12 канонических фильтров компонентов сигнала и канал 13 формирования остаточного сигнала. При этом каждый канал формирования компонента сигнала 7 – 9 состоит из каскада фильтра остаточного сигнала 5 и всех последовательно включенных канонических фильтров 2 – 4 компонентов сигнала за исключением канонического фильтра своего компонента, а канал формирования остаточного сигнала 13 состоит из каскада всех последовательно включенных канонических фильтров компонентов 2 – 4 без исключения. Для упрощения изложения векторы коэффициентов канонических фильтров объединяются в группу векторов .

На фиг. 4 показан пример применения способа-прототипа для выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств. Блоки памяти 14 и 15 предназначены для хранения коэффициентов фильтра предыдущей -й итерации, а также для задания начальных значений коэффициентов канонических фильтров компонентов и фильтра остаточного сигнала на этапе инициализации .

На фиг. 5 и 6 показаны различные схемы 16 совместной настройки адаптивных фильтров 1. Отличие схем настройки заключается в способе настройки фильтра остаточного сигнала ; его настраивают либо в своем блоке настройки 17, либо в общем блоке настройки 18. В обеих реализациях способа схемы настройки адаптивных фильтров 6 используют канонические фильтры компонентов 2 – 4 предыдущей -й итерации, причем настроенные на подавление другого цифрового сигнала. Так, например, в схеме настройки 6 – n адаптивного фильтра сигнала используются канонические фильтры компонентов, полученные из блока памяти 14 – n и настроенные на подавление другого цифрового сигнала . Коэффициенты фильтров другого сигнала, поступающие в схему настройки своего фильтра (в схему 6 – n) изменяют преобразователями 19 с учетом периодов дискретизации своего и другого цифровых сигналов.

На фиг. 7 представлена схема приведения цифровых сигналов с кратными частотами дискретизации к сигналам с единой частотой дискретизации путем прореживания их отсчетов. Причем шаг прореживания каждого цифрового сигнала определяется общим блоком формирования коэффициентов децимации 21, а само прореживание осуществляется блоком децимации 20.

Способ предназначен для выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств. Предполагается, что электрическую величину x(t) преобразуют различными устройствами (фиг. 1) в соответствующие цифровые сигналы путем аналого-цифрового преобразования, где k – дискретное время (номер отсчета), – период дискретизации n-го цифрового сигнала, N – число сигналов.

Хотя прототип и не подразумевает его использование для совместной обработки однородных цифровых сигналов, но и он может применяться для выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств. И в прототипе, и в предлагаемом способе для каждого цифрового сигнала настраивают соответствующий адаптивный фильтр с распределенной структурой 1 (фиг. 2). При этом каждый адаптивный фильтр выполняют в виде каскада последовательно соединенных канонических фильтров компонентов (, M_c – число фильтров) цифрового сигнала , таких как апериодическая составляющая и/или 1-я, 3-я, 5-я гармоники, и фильтра остаточного сигнала , предназначенного для заграждения остальных компонентов сигнала.

Векторы коэффициентов канонических фильтров, такие как вектор коэффициентов фильтра гармоники

или вектор коэффициентов фильтра апериодической составляющей

удобно объединять в группу векторов (σ – номер этапа настройки)

Коэффициенты фильтра остаточного сигнала представляются в виде вектора

,

где M_r – порядок фильтра остаточного сигнала. Здесь верхний индекс T обозначает операцию транспонирования.

Для каждого адаптивного фильтра формируется своя многоканальная схема настройки 6 (фиг. 3), которая включает в себя каналы 7 – 9 формирования компонентов сигнала , блоки настройки канонических фильтров компонентов и канал 13 формирования остаточного сигнала . При этом каждый канал формирования компонента сигнала 7 – 9 состоит из каскада всех последовательно включенных канонических фильтров компонентов, за исключением канонического фильтра своего компонента, и фильтра остаточного сигнала. Отметим, что в прототипе используется фильтр остаточного сигнала предыдущей итерации с коэффициентами , а в предлагаемом способе – фильтр остаточного сигнала текущей итерации с коэффициентами . Канал формирования остаточного сигнала 13 состоит из каскада последовательно включенных всех без исключения канонических фильтров компонентов предыдущей итерации с коэффициентами . Такая организация каналов позволяет получить на выходе канала распознаваемую слагаемую как остаток после заграждения всех остальных слагаемых входного сигнала.

Совместная настройка адаптивных фильтров производится в несколько этапов, включающих в себя этап инициализации и этапы настройки , однако схемы совместной настройки 16 адаптивных фильтров в случае применения прототипа (фиг. 4) и в предлагаемом способе (фиг. 5 – 7) кардинально различаются. В прототипе, как и в предлагаемом способе, на этапе инициализации задаются коэффициентами всех канонических фильтров компонентов с учетом априорной информации о сигнале (в схеме на фиг. 4 эти коэффициенты сгруппированы в ). Но для прототипа принципиально важно, чтобы были заданы коэффициенты фильтров остаточного сигнала (фиг. 4). Кроме того, на этапах настройки настройку адаптивного фильтра 1 каждого цифрового сигнала осуществляют в своей схеме настройки, независимой от схем настроек (6 - 1) – (6 - N) других цифровых сигналов. Это приводит к множественности решений, причем решения, полученные для всех адаптивных фильтров, не будут взаимосвязанными несмотря на то, что они были получены для одной и той же электрической величины.

В предлагаемом же способе на этапе инициализации задаются только коэффициентами всех канонических фильтров компонентов (на фиг. 5 – 7 сгруппированы так же в ). Инициализация коэффициентов фильтра остаточного сигнала в предлагаемом способе не требуется, поскольку на этапах настройки сначала настраивают фильтр остаточного сигнала а затем уже с его участием – канонические фильтры компонентов . Кроме того, на этапе настройки σ начальные значения коэффициентов канонических фильтров формируются на основе коэффициентов канонических фильтров, полученных в схеме настройки 6 другого адаптивного фильтра на предыдущей -й итерации. Это улучшает сходимость настройки адаптивных фильтров и устраняет множественность решения задачи выделения слагаемых электрической величины.

Рассмотрим более подробно настройку адаптивных фильтров на конкретном этапе σ.

Как уже отмечалось ранее, сначала в блоках настройки (фиг. 5) настраивают фильтры остаточного сигнала на заграждение остаточного сигнала , а затем в схемах 6 – n настраивают канонические фильтры компонентов, формируя при этом группы векторов коэффициентов по правилу (3).

Канонические фильтры компонентов 2 – 4 адаптивного фильтра каждого цифрового сигнала, по сути, настраиваются на заграждение одной и той же электрической величины. В общем случае цифровые сигналы могут быть представлены в различном масштабе времени (могут иметь различные частоты дискретизации). С целью обеспечения взаимосвязанности решений в схемах настройки адаптивных фильтров используются канонические фильтры компонентов 2 – 4, настроенные на подавление другого -го цифрового сигнала. Коэффициенты этих фильтров получают через блок памяти . Поскольку частоты дискретизации цифровых сигналов могут не совпадать, то коэффициенты канонических фильтров компонентов другого цифрового сигнала необходимо изменить преобразователями 19 с учетом периодов дискретизации своего и другого цифровых сигналов. Для канонического фильтра гармоники преобразование осуществляется путем замены в (1) коэффициента

,

а для апериодической составляющей – коэффициента в (2):

.

Методы настройки фильтров, применяемые в блоках настройки канонических фильтров компонентов и фильтра остаточного сигнала , могут быть различными. Наиболее прост метод наименьших квадратов [Антонов, В. И. Адаптивный структурный анализ электрических сигналов: теория и ее приложения в интеллектуальной электроэнергетике / В. И. Антонов. – Чебоксары: Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова, 2018. – 334 с.]. Согласно методу коэффициенты и на каждом этапе настройки σ ищут как решения систем

и

.

Здесь и – траекторные матрицы, а и – векторы наблюдений, формируемые на основе отсчетов входных сигналов и следующим образом:

где L_i и L_r – число уравнений;

M_i и M_r – порядок канонического фильтра и фильтра остаточного сигнала соответственно.

В рассматриваемой реализаций способа фильтр остаточного сигнала настраивают в своем блоке настройки (фиг. 5). Возможна также реализация предлагаемого изобретения с использованием единого фильтра остаточного сигнала F_r, настраиваемого в общем блоке настройки 18 (фиг. 6). В этом случае вектор коэффициентов фильтра остаточного сигнала ищут как решение системы

.

При этом траекторную матрицу

и вектор наблюдения

получают путем вертикальной конкатенации траекторных матриц (4) и векторов наблюдения (5) соответственно. Такой подход искусственно увеличивает окно наблюдения, что позволяет настроить фильтр при меньшем количестве отсчетов сигнала.

Качество настройки адаптивных фильтров контролируют по уровню целевой функции. Полагают, что достигнут необходимый уровень качества настройки, если значение целевой функции E(σ) не превышает заданного порога

.

Целевую функцию E(σ) определяют, например, в виде усредненной суммы квадратов разностей евклидовых норм векторов коэффициентов адаптивных фильтров всех цифровых сигналов на текущей σ и предыдущей -й итерациях настройки. Поскольку адаптивный фильтр имеет распределенную структуру и включает в себя каскад фильтров, то норму его коэффициентов можно определить как сумму норм его отдельных фильтров, поэтому целевая функция может быть представлена следующим образом:

.

Напомним, что евклидова норма коэффициентов фильтра на текущей итерации настройки σ определяется как

.

При достижении необходимого уровня качества настройки адаптивных фильтров по виду корней характеристического уравнения контрольного адаптивного фильтра судят о слагаемых электрической величины. За контрольный может быть принят любой из адаптивных фильтров с распределенной структурой. Корни канонических фильтров компонентов сигнала и фильтра остаточного сигнала, как и в случае прототипа, определяют путем решения соответствующего характеристического уравнения.

Если остаточные сигналы, формируемые схемами настройки 6, содержат общие компоненты сигнала, то общий блок настройки 18 единого фильтра остаточного сигнала F_r будет вынужден формировать свой заграждающий фильтр этого компонента для каждого масштаба времени. Поэтому, с целью избежания неоправданного увеличения порядка M_r фильтра остаточного сигнала F_r, цифровые сигналы с кратными частотами дискретизации предварительно приводят к цифровым сигналам с единой частотой дискретизации f_s,g путем прореживания отсчетов блоком децимации 20. Единая частота дискретизации f_s,g определяется как наибольший общий делитель частот дискретизации упомянутых цифровых сигналов (фиг. 7). В итоге шаг прореживания νⁿ для каждого цифрового сигнала определяют путем деления частоты дискретизации сигнала на единую частоту дискретизации f_s,g в блоке формирования шага прореживания 21:

.

В этом случае к схемам настройки адаптивных фильтров подводятся цифровые сигналы с единой частотой дискретизации, благодаря чему исключается необходимость в использовании преобразователей 19.

Таким образом, предлагаемый способ выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств, используя совместную настройку адаптивных фильтров всех цифровых сигналов, позволяет сократить окно наблюдения, повышая тем самым быстродействие способа.

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике. Технический результат заключается в повышении быстродействия способа за счет искусственного увеличения окна наблюдения путем совместной настройки адаптивных фильтров всех цифровых сигналов. Для этого для каждого цифрового сигнала итерационно настраивают соответствующий адаптивный фильтр с распределенной структурой на полное подавление сигнала. Структурная схема, реализующая настройку адаптивного фильтра, включает в себя каналы формирования компонентов сигнала и канал формирования остаточного сигнала. Для обеспечения взаимосвязанности настройки адаптивных фильтров в упомянутых каналах используются канонические фильтры компонентов, настроенные на предыдущей итерации на подавление другого цифрового сигнала, причем коэффициенты этих фильтров изменяются преобразователем с учетом частот дискретизации своего и другого цифровых сигналов. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ выделения слагаемых электрической величины по измерениям различных устройств, представленных в виде цифровых сигналов со своими частотами дискретизации, согласно которому

для каждого цифрового сигнала итерационно настраивают соответствующий адаптивный фильтр с распределенной структурой на полное подавление цифрового сигнала, при этом каждый адаптивный фильтр выполняют в виде каскада последовательно включенных канонических фильтров компонентов сигнала, таких как апериодическая составляющая и/или 1-я, 3-я, 5-я гармоники, и фильтра остаточного сигнала,

причем структурная схема, реализующая настройку адаптивного фильтра, включает в себя каналы формирования компонентов сигнала и канал формирования остаточного сигнала, при этом каждый канал формирования компонента сигнала состоит из каскада последовательно включенных всех канонических фильтров компонентов сигнала за исключением канонического фильтра своего компонента и фильтра остаточного сигнала, а канал формирования остаточного сигнала состоит из каскада последовательно включенных всех канонических фильтров компонентов сигнала,

на текущей итерации настройки адаптивного фильтра настраивают фильтр остаточного сигнала и настраивают в своем блоке настройки каждый из канонических фильтров компонентов на полное подавление выходного сигнала своего канала формирования компонента,

при этом настройку всех канонических фильтров компонентов и фильтров остаточного сигнала производят методом наименьших квадратов и считают, что достигнут необходимый уровень качества настройки адаптивных фильтров, если значение целевой функции не превышает заданного порога,

и по виду корней характеристического уравнения контрольного адаптивного фильтра определяют характеристические параметры, такие как частота и коэффициент затухания слагаемых электрической величины, отличающийся тем, что

на текущей итерации настройки адаптивных фильтров сначала настраивают фильтры остаточного сигнала, а затем канонические фильтры компонентов,

при этом в схеме настройки адаптивного фильтра каждого цифрового сигнала в каналах формирования компонентов сигнала и в канале формирования остаточного сигнала используются канонические фильтры компонентов, настроенные на предыдущей итерации на подавление другого цифрового сигнала, между тем, коэффициенты этих фильтров изменяются преобразователем с учетом частот дискретизации своего и другого цифровых сигналов,

причем за контрольный адаптивный фильтр принимают любой из адаптивных фильтров.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фильтр остаточного сигнала в схеме настройки адаптивного фильтра каждого цифрового сигнала настраивают в своем блоке настройки на полное подавление остаточного сигнала, формируемого соответствующим каскадом схемы настройки адаптивного фильтра своего цифрового сигнала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фильтр остаточного сигнала принимают единым для адаптивных фильтров всех цифровых сигналов и настраивают в общем блоке настройки на подавление остаточных сигналов, формируемых соответствующими каскадами схем настройки адаптивных фильтров всех цифровых сигналов.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что цифровые сигналы с кратными частотами дискретизации приводят путем прореживания отсчетов блоком децимации к цифровым сигналам с единой частотой дискретизации, равной наибольшему общему делителю частот дискретизации упомянутых цифровых сигналов, причем шаг прореживания для каждого цифрового сигнала определяют путем деления частоты дискретизации сигнала на единую частоту дискретизации в блоке формирования шага прореживания.

5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что целевую функцию определяют в виде суммы квадратов разностей евклидовых норм векторов коэффициентов адаптивных фильтров всех цифровых сигналов на текущей и предыдущей итерациях настройки.