Устройство для выделения ортогональных составляющих электрических величин Советский патент 1992 года по МПК H01H83/22 H02H3/16 

вый детектор 14, фазосдвигающий элемент 15.

В состав цифрового фильтра 3 входят элементы 16-18 задержки, умножители 19- 21 и многовходовый сумматор 22.

Цифровой фильтр 4 состоит из аналогичных элементов, но включены фильтры 3 и 4 по-разному: основной вход фильтра 3 подключен к клемме 23 для соединения с входом устройства, а основной вход 24 фильтра 4 - к генератору 5 ортогональных сигналов. Задающие входы фильтров 3 и 4 подключены к верхним выходам 25-27 задающего блока 2. Нижние (дополнительные) его входы 28 и 29 задают сигналы умножи- телям 8 и 9. Пороговый элемент 12 воздействует на вход 30 пуска задающего блока 2. Масштабирующий 6 и фазосдвигающий 15 блоки выполнены с задающими входами 31 и 32 соответственно. Блок 7 формирования ортогональных составляющих выполнен с основным входом 33, управляющими входами 34 и 35 и двумя выходами 36 и 37, являющимися выходами всего устройства. Управляют этим фильтром выходы 38 и 39 генератора 5.

Блоки устройства имеют следующее функциональное назначение.

Цифровые фильтры 3 и 4 осуществляют нерекурсивное преобразование своих вход- ных сигналов. Так, если на вход 23 поступает сигнал u(l), где I - дискретное время, то на выходе 40 образуется сигнал

m - 1 v((l)- 2 aiu(l-m-H)

i 0

где m - порядок фильтра, рекурсивно наращиваемый. Генератор ортогональных сиг- налов 5 формирует на своих выходах 38 и 39 сигналы cosetl и sin а I, где а 2 л/N, N - число выборок на периоде частоты сети f0. Цифровой фильтр 4 включен на сигнал cos or I, и сигнал на его выходе 41

m - 1

vg(l) cos a I - У aicos а (I - m + i).

i 0

С равным основанием фильтр 4 может быть подключен и к выходу 39 генератора 5 (к сигналу sin al).

Задающий блок 3 формирует на своих верхних выходах 25-27 величины ai, а на нижних 28, 29 - пару предварительных ортогональных составляющих u i и 112. На входы сумматора 11 от умножителей 8 и 9 поступают сигналы in cos а и U2 sin a I,

образующие на его выходе гармонический сигнал

g (l) u/cosal + i sinal.

В сумматоре 10 этот сигнал вычитается из v(l), и на пороговый элемент 12 поступает разностный сигнал

s(l) v(l)-g (l),

который в данном устройстве воспринимается как помеха (невязка); пороговый элемент 12 реагирует на его уровень. Задающий блок 2 по сигналу порогового элемента 12, поступившему, допустим, в момент I 0, набирает m + n + 1 отсчетов входной величины u(l), а также по n + 1 отсчетов опорных сигналов cos a I, sin a I. Получаемую им информацию можно представить в виде матрицы

jcosam sin am u(0) u(1) u(m-1)

i

cosa(m+1) sina(m+1) u(1) u(2) u(m)

cosa(m+n) sin«(ni+n) u(n) u(n+1) u(m+n-1) и вектора

b u(m), u(m+1),...,u(m+n)T

где Т - индекс транспонирования.

Задача задающего блока 2 - определение

вектора параметров

x ui , U21, а0, aiam-i

Для этого он осуществляет одну из следующих матричных операций:

х (АТА) 1АТЬ

0)

или, если известна ковариационная матрица Rs сигнала s(), то

x ()1ATRs 1b

(2)

Отсюда следует, что задающий блок 2 представляет собой процессор, предназначенный для решения системы линейных алгебраических уравнений

Ах + s b

(3)

по методу наименьших квадратов или иным методам. Подобные специализированные процессоры выполняются в виде отдельных интегральных микросхем.

Амплитудный детектор 13 выделяет амплитуду сигнала, поступающего на его вход, а фазовый детектор 14 - разность фаз сигналов на выходе и входе цифрового фильтра 4, Масштабирующий блок 6 изменяет свой входной сигнал обратно пропорционально сигналу, поступающему на задающий вход 30. Фазосдвигающийэлемент 15уменыиает фазу своего входного сигнала на угол, задаваемый сигналом на входе 32. Блок формирования ортогональных составляющих 7 обладает свойством выделять величины ui и U2 в поступающем на его вход гармоническом сигнале

g(l) uicos a + U2sin a I,

Предположим, что на вход 23 данного устройства подана электрическая величина u(l) иуст(1) + UCB(|), состоящая из установившейся гармонической величины

Uycr(l) 9вх() U1BXCOS О. I + U2BxSin а I

и из свободной величины

UCB() 2, Umpesin(vfpl+ VP),

p

где v a /f0. Цифровой фильтр З настроится на величину u(l) не сразу, пока этого не произойдет, сигнал g(l) будет не в состоянии скомпенсировать сигнал v(l), вследствие чего их разность s(l) будет высокого уровня. Поступая на вход порогового элемента 12, сигнал s(l) приведет к его срабатыванию и тот своим выходным сигналом запустит задающий блок 2, который приступит к формированию матрицы А и вектора b отсчетов входной величины, делая это для заданного начального значения m . Если принимается m 1, то тем самым предполагается, что UCB(|) может состоять из единственной экспоненты, т.е. ожидаемый состав входной величины

u(l)gBx(i) + Dm e

-/3,

(4),

Значение п всегда выбирается с таким расчетом, чтобы число уравнений в системе (3) было не меньше числа неизвестных (компоненты вектора х), равного m + 2, как минимум п m + 1. Так, при m 1 и п 2 задающий блок 2 набирает следующие данные:

cos a sin a u(0)

cos2 a sin2o: u(1)

созЗа sin3a и(2

А

b u(1), u(2),u(3)T.

Определяя по алгоритму (1) или (2) вектор х л , 112. , блок 2 выставляет на

своем выходе 25 сигнал а0, на остальных верхних выходах 26 и 27 - нулевые сигналы, а на нижних выходах 28 и 29 - сигналы ui и U2. Цифровой фильтр 3, на умножитель 19 которого поступил сигнал ао, приобретает

способность подавлять свободную слагаемую входной величины, имеющую в данном случае коэффициент затуханияД Для пояснения заметим, что алгоритм (1) обладает свойством доставлять минимум квадратическому функционалу невязки

+ п

2 s2(l)-wnin.

(5)

Подставляя (4) в уравнение цифрового фильтра 3 первого порядка

v(l) u(l) - a0u(l-1), получим выражение его выходного сигнала

У(1) двых(1) + исв.вых(1),

Зо где двых(1) двх() - а0дВх(М);

ft -0 исв,вых(1) Um(1 - а0 e ) e

Преобразованный полезный сигнал представляет собой гармонику

9вых(1) UlsbixCOS a I + U2BbixSin а I

со своими ортогональными составляющими итвых и и2вых. Кроме сигнала а0 задающий блок 2 выставляет еще и сигналы ui , 1)2, которые поступают на умножители 8 и 9, перемножаются в них с сигналами генера- тора бив составе сигнала g (I) поступают на вход сумматора 10, на выходе которого в результате образуется сигнал

50

S(l) (ичвых U1 )COS а I + (и2вых - U2 ) X

р -0

х sin a I +- Um(1 - а0 e ) e

откуда следует, что минимуму, притом абсолютному, функционала (5) отвечают следую- щие сигналы задающего блока 2:

//-Ј

ui ЩБЫХ, U2 и2вых, а0 е(6)

тогда s(i) 0 при I m.

Аналогичная картина наблюдается и при более сложной свободной слагаемой UCB(I), различие состоит только в том, что для подавления большего числа слагаемых требуется большее число элементов задержки 16-18 или более высокий порядок m фильтра 3. В подобной ситуации устройство постепенно наращивает величину т. Допустим, что при начальном значении порядка m 1, получив информацию из четырех отсчетов входной величины u(l) и определив по ним три параметра щ1, 112 и а0, устройство обнаружит, что I s(l) I Scp, где Scp - уставка порогового элемента 12. Оно расценит этот факт в том смысле, что цифровой фильтр 3 должным образом пока еще he настроен и следует нарастить его порядок, перейдя к m 2. Задающему блоку 2 понадобится еще минимум два отсчета входной величины (и(4) и и(5)). Получив их, он выполнит преобразования (1) или (2), выставив в результате новые выходные сигналы в виде нового вектора

x ui , U21, а0, aijT.

При этом, в частности, вместо прежнего нулевого сигнала на выходе 26 появится ненулевой сигнал ai.

Процесс повышения порядка m завершится тогда, когда при всех I m (т + п) сигнал невязки s(l) на выходе сумматора 10 будет иметь низкий уровень, так что I s(l) I Sep. Тогда пороговый элемент 12 вернется в исходное состояние, сняв пусковой сигнал с входа 30 задающего блока 2, который приостановит наращивание порядка фильтра 3. Выходные сигналы блока 2 при этом сохранят свои прежние значения.

Второй цифровой фильтр 4, равно как и блоки 6, 13, 14 и 15, в данном устройстве работает постоянно, но фактически начинает играть свою роль после завершения настройки фильтра 3. Назначение всех этих блоков заключается в преобразовании выходных величин ui , 112 на выходах 28 и 29 блока 2 в величины щ и U2, предположительно равные искомым ортогональным составляющим Щвх, U2ex. Так как в соответствии с принципом действия устройства по завершению настройки должно выполняться равенство (6), то Щвх и и2вх можно обнаружить, как бы пропуская сигнал g (l) двых(0 через цифровой фильтр в обратном направлении и получая в итоге сигнал двх(1). Поскольку все эти сигналы являются гармониками частоты fo, то упомянутое преобразование можно осуществить с помощью масштабирующего 6 и фазосмещающего 15 блоков, общая передаточная функция которых имеет вид

1/H(fo)

где H(f0)expj p(fo) - передаточная функция цифрового фильтра 3. Сигнал двх() можно записать в виде комплекса g8x U2 + jui. После прохождения через цифровой фильтр 3 он будет преобразован в

двых 112вых + jUlBbix H(fo)-gex .

По завершении настройки цифрового фильтра 3 на выходе сумматора 11 появляется сигнал g U2 + jui . В соответствии с

принципом действия устройства.g откуда

g g /H(f0) « двых/Н(То) двх.

двых,

Следовательно, проходя через блоки 6 и 15, сигнал g (l) преобразуется в искомую

величину - основную гармонику входной величины - полезный сигнал двх(1).

Второй цифровой фильтр 4 получает от задающего блока 2 те же коэффициенты, что и первый фильтр 3. Такое дублирование связано с необходимостью в отдельной схеме для определения передаточной функции H(f0). Поскольку фильтр 4 включен на нормированный гармонический сигнал, то амплитуда его выходного сигнала, определяемая

амплитудным детектором 13, есть H(f0), a разность фаз, устанавливаемая фазовым детектором 14, ecTb(fo). В совокупности блоки 13 и 14 определяют искомый комплекс H(fo) и передают его блокам 6 и 15 в виде

инверсной величины 1/H(fo).

Блок 7 формирования ортогональных составляющих выделяет из поступающей на его вход 33 гармонической величины g(l) искомые параметры ui, U2, выдавая их на выход устройства, в соответствии с принципом действия которого их можно считать достоверными выходными сигналами лишь после возврата порогового элемента 12.

Предлагаемое устройство выделяет основную гармонику переходного напряжения или тока за минимально возможное время. Его разрешающая способность ограничена исключительно шумами, присутствующими во входных величинах, а также возникающими в самом устройстве в процессе преобразования. Последние могут быть ослаблены увеличением разрядности цифрового фильтра. В целом же по сравнению с прототипом время действия устройства сокращается примерно на четверть периода и даже в условиях интенсивного переходного процесса оценивается одним полупериодом промышленной частоты.

Формула изобретения Устройство для выделения ортогональных составляющих электрических величин, содержащее адаптивный фильтр, выполненный в виде задающего блока и первого цифрового фильтра, второй цифровой фильтр, генератор ортогональных сигналов, масштабирующий элемент и блок формирования ортогональных составляющих, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, дополнительно введены первый и второй умножители, первый и второй сумматоры, пороговый элемент, амплитудный и фазовый детекторы и фазосдвигающий элемент, а задающий блок выполнен с четырьмя входами и шестью выходами, при этом первый, второй, третий и четвертый выходы задающего блока подключены к задающим вводам первого и второго цифровых фильтров, пятый и шестой выходы задающего блока подключены к одним входам первого и второго умножителей, к другим входам которых подключены выходы генератора ортогональных сигналов, подключенные также к первому и второму входам задающего блока, третий вход которого объединен с основным входом первого

цифрового фильтра и подключен к клемме для соединения с входом устройства, выходы первого и второго умножителей подключены к входам/ первого сумматора, подключенного выходом к основному входу масштабирующего элемента и одному входу второго сумматора, к другому входу которого подключен выход первого цифрового фильтра, выход второго сумматора подключен через пороговый элемент к третьему входу задающего блока, выход масштабирующего элемента подключен к основному входу фазосдвигающего элемента, подключенного выходом к основному входу блока формирования ортогональных составляющих, к управляющим входам которого подключены выходы генератора ортогональных сигналов, один из выходов которого подключен также к одному входу фазового детектора и основному входу второго цифрового фильтра, подключенного выходом к другому входу фазового детектора и входу амплитудного детектора, выход которого подключен к управляющему входу масштабирующего элемента, а выход фазового детектора подключен к управляющему входу фазосдвигающего элемента.