Результат интеллектуальной деятельности: Устройство фильтрации и выделения первой гармоники в микропроцессорных устройствах релейной защиты фидеров контактной сети на основе схем ФАПЧ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для непрерывного выделения первой гармоники напряжения и тока с выходов измерительных трансформаторов в микропроцессорных устройствах защиты фидеров контактной сети.

В известных современных устройствах микропроцессорных релейных защит выделение первой и последующих гармоник осуществляется посредством цифровых фильтров, реализованных программно:

- Микропроцессорная система релейной защиты БМР3-ФКС для электрифицированных железных дорог:

http://www.mtrele.ru/shop/relejnaya-zashhita/bmrz-zhd.html.

- Микропроцессорная система релейной защиты ИнТер-27,5-ФКС для электрифицированных железных дорог:

http://www.nfenergo.ru/content/files/catalog1/Katalog_155201301.pdf.

- Устройство микропроцессорное защиты, автоматики, контроля и управления присоединений 6-35 кВ МРЗС - 05:

http://www.kievpribor.com.ua/rus/download.htm.

- Микропроцессорное устройство дистанционной защиты контактной сети SIPROTEC 7ST6:

https://w5.siemens.com/web/ua/ru/em/Automation_control_and_protection/Relay_Protection/Distance_protection/Documents/file_139_1.pdf.

- Микропроцессорное устройство релейной защиты Сириус-ЖД-ФКС для электрифицированных железных дорог:

http://www.rza.ru/catalog/zashita-i-avtomatika-zheleznykh-dorog-i-metropolitena/sirius-zhd-fks.php.

Все указанные устройства реализуют цифровой метод выделения первой гармоники измеряемого сигнала, основанный на дискретизации сигнала и быстром преобразовании Фурье.

Этот метод и реализующие его системы имеют следующие недостатки:

1. Потеря информации при представлении сигнала последовательным набором отдельных отсчетов.

2. Цифровые фильтры сложны в технической реализации, связанной с построением различных алгоритмов обработки сигналов на основе метода наименьших квадратов, на основе дискретного преобразования Фурье, формирования ортогональных составляющих и других методик, в зависимости от набора компонент в помехе.

3. Значимым недостатком цифровых фильтров является увеличение погрешности фазы измеряемого сигнала при отклонении частоты контролируемого сигнала от номинальной. На практике при отклонении частоты сигнала алгоритмы цифровых фильтров предусматривают изменение числа выборок, как в пределах целого, так и нецелого чисел. Этот факт собственно и приводит к увеличению погрешности определения фазы полезного сигнала. Между тем, соотношения между фазами тока и напряжения являются определяющими при распознавании аварийных режимов в тяговой сети, в отличие от режимов, связанных с пусковыми пиковыми нагрузками и переходными процессами.

Известно устройство для мониторинга состояния высоковольтных вводов (патент на изобретение RU 2401434, МПК G01R 31/14), в котором осуществлена оцифровка входных сигналов тока и напряжения в N равностоящих точках относительно периода сигналов с последующим определением ортогональных составляющих первых гармоник ряда Фурье. Отличительной особенностью устройства является программное измерение периода анализируемых сигналов тока и напряжения и равномерное задание интервалов квантования. При этом измерение начала и конца периода осуществляется с помощью прерывания процессора в момент перехода через ноль измеряемого сигнала. Интервалы квантования задаются с помощью встроенного в микроконтроллер таймера. Загружаемое в данный таймер число, задающее интервал квантования, определяется делением на N длительности периода частоты измеряемых сигналов, выраженного в тактах частоты тактового генератора. Эта длительность измеряется с помощью входящего в состав микроконтроллера второго таймера со схемой захвата, позволяющего в моменты перехода через ноль сигнала напряжения запоминать и затем считывать показания таймера. Искомая длительность определяется как разность двух последовательных значений, считанных из таймера.

К недостаткам указанного устройства следует отнести:

1. Сложность реализации измерительного тракта, включающего в себя мультиплексор аналоговых сигналов, аналоговые устройства слежения/запоминания, узел нормализации сигналов тока и напряжения, второй мультиплексор аналоговых сигналов, узел синхронизации, содержащий первый счетчик и второй счетчик с предделителем на тактовом входе, а также источник тактовых импульсов и компаратор.

2. Погрешность измерения периода частоты измеряемого сигнала, выраженного целыми значениями тактов частоты тактового генератора.

3. Наличие задержки обработки измеряемых сигналов на величину длительности периода, связанной с необходимостью предварительного его измерения.

Известно устройство мониторинга высоковольтных вводов и сигнализации о состоянии их изоляции (патент на изобретение RU 2328009, МПК G01R 31/02), взятое за прототип. Устройство реализует прямое измерение активных и реактивных составляющих тока утечки изоляции ввода, напряжения на вводе и частоты сети с последующим вычислением амплитуд и фазовых соотношений между током и напряжением, tg δ и емкости основной изоляции ввода. В основе решения лежит разложение периодических сигналов на ортогональные составляющие.

В устройстве-прототипе, перемножение переменных в подинтегральных выражениях ряда Фурье выполняется аппаратно с помощью перемножающих цифроаналоговых преобразователей, а интегрирование заменяется выделением постоянных составляющих подинтегральных выражений с помощью фильтров низкой частоты и интегрирующего АЦП или АЦП с дельта-сигма модуляцией. Генерация и синфазирование цифровых сигналов возлагается на узел задания системы отсчета, в основе которого лежит система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Узел задания системы отчета представляет собой разновидность системы фазовой автоподстройки частоты, состоящей из умножающего ЦАП, играющего роль фазового детектора, и последовательно соединенных с ним элементов: фильтра низкой частоты (ФНЧ), генератора импульсов, управляемого напряжением (ГУН), двоичного счетчика и преобразователя кодов, одна из ветвей выходной шины данных которого подключена к цифровому входу умножающего ЦАП, тем самым замыкая цепь отрицательной обратной связи. Таким образом, фазное напряжение, поступающее на аналоговый вход ЦАП, является для системы ФАПЧ задающим сигналом, а цифровая синусоида, поступающая по шине данных - сигналом обратной связи.

Данное устройство имеет несколько недостатков:

1. Наличие опорного оцифрованного сигнала в схеме ФАПЧ приводит к дополнительной погрешности определения начальной фазы измеряемых сигналов.

2. Аппаратная реализация операций умножения в ЦАП приводит к значительной сложности и, следовательно, к увеличению стоимости и снижению надежности устройства.

Целью настоящего изобретения является повышение точности выделения первой гармоники измеряемых сигналов тока и напряжения, а также упрощение схемы устройства измерения с одновременным повышением ее надежности. Повышение точности выделения первой гармоники, в первую очередь, направлено на точность измерения начальной фазы измеряемых сигналов, т.к. разность между фазами тока и напряжения является определяющей при распознавании аварийных режимов в тяговой сети.

Поставленная цель достигается, во-первых, за счет того, что опорный сигнал по цепи обратной связи в предлагаемом устройстве (фиг. 1), подается в схему ФАПЧ (9, 10) с выхода инвертора (13, 14) в аналоговом виде, что не приводит к дополнительной погрешности определения начальной фазы измеряемых сигналов, связанной с оцифровкой сигнала в схеме прототипа. Во вторых, в моменты перехода измеряемого сигнала через ноль, сигнал с выхода ФАПЧ дополнительно поступает в микроконтроллер с целью определения длительности периода сигнала тока и напряжения и вычисления интервала квантования путем деления на N длительности периода частоты измеряемых сигналов, выраженного в тактах частоты тактового генератора. Равномерность выборки значений тока и напряжения при дальнейшей оцифровке, не зависящая от отклонения частоты, приведет к дополнительному повышению точности выделения первой гармоники. Исключение аппаратных средств и реализация всех вычислительных операций в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, осуществлено программно на микроконтроллере, что приводит к значительному его упрощению, повышению надежности и уменьшению стоимости.

Для пояснения существа изобретения на фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - блок-схема устройства-прототипа.

Оба устройства содержат высоковольтные ввода, подключенные к высоковольтным шинам. В предлагаемом устройстве в качестве высоковольтных вводов используется трансформатор тока 1 и трансформатор напряжения 3, измерительные выводы которых подключены к входам узлов гальванической развязки и нормализации тока 2 и напряжения 4. Последние, в качестве развязывающих и согласующих элементов, содержат приборные измерительные трансформаторы тока и напряжения.

В устройстве-прототипе (фиг. 2) выходы узлов развязки и нормализации 4 и 6 соединены с соответствующими входами мультиплексора аналоговых сигналов 7, на выходах которого сигналы соответствуют той или иной фазе в зависимости от состояния сигналов на шине управления, задаваемых управляющим микроконтроллером 9.

В предлагаемом устройстве (фиг. 1) необходимость в мультиплексировании фаз отсутствует, так как система электроснабжения поездов однофазная.

В прототипе (фиг. 2) сигналы с выхода первой части мультиплексора 7 поступают на узел измерений 10, а сигналы с выхода второй части - на вход узла формирования сигналов системы отсчета 11.

В предлагаемом устройстве (фиг. 1) сигналы с выхода приборных измерительных трансформаторов тока и напряжения поступают на фильтры низких частот 5 и 8 для исключения высших гармоник и уменьшения погрешности выделения первой гармоники. Параллельно сигналы с измерительных трансформаторов выпрямляются с помощью двухполупериодных выпрямителей 6 и 7. С выхода фильтров измеряемые сигналы тока и напряжения подаются на входы схем фазовой автоподстройки частоты 9 и 10, на выходе которых, при совместной работе с преобразователями импульсов 12 и 15, образуются управляющие сигналы, передние и задние фронты которых совпадают по фазе с измеряемыми сигналами при их переходе через нулевые значения. Управляющие сигналы задают работу транзисторных ключей квазирезонансных инверторов 13 и 14. Питающие выпрямленные сигналы с выпрямителей 6 и 7, пропорциональные амплитудам тока и напряжения на выходах узлов гальванической развязки и нормализации 2 и 4 подаются на транзисторные ключи квазирезонансных инверторов 13 и 14 с целью формирования первых гармоник измеряемых сигналов.

В схеме предлагаемого устройства (фиг. 1) с целью повышения надежности ее работы предусмотрены резервные цепи в обход ФАПЧ. В случае неисправности схемы ФАПЧ, преобразователя импульсов или инвертора, происходит подача управляющих сигналов с микроконтроллера на электронные ключи 11 и 16, реализующие типовой режим работы микропроцессорного устройства релейной защиты.

С выходов инверторов 13 и 14 выделенные первые гармоники тока и напряжения подаются на входы АЦП 17 и 18 и далее с выходов АЦП на микроконтроллер 19.

В схеме прототипа (фиг. 2), аналогично измеряемые сигналы через мультиплексор 18, умножающий ЦАП 19, фильтр низкой частоты 20 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21 подаются на вход микроконтроллера 9.