Способ идентификации сигнала установившегося режима в электрическом сигнале переходного процесса

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам обработки электрических сигналов измерительным устройством, которое функционирует в системе электроснабжения переменного тока с частотой f_c, и при этом принимает решение либо на основе информации о параметрах синусоидального сигнала с частотой f_c, либо на основе входящей в структуру периодического несинусоидального сигнала параметров первой гармоники с частотой f_c, либо на основе действующего значения несинусоидального периодического сигнала.

В случае «внезапного» изменения структуры электрической схемы, например, при включении/отключении какого-либо элемента в системе электроснабжения переменного тока, или при возникновении в ней короткого замыкания, на некотором интервале времени [t_пп(н),t_пп(к)], т.е. от момента времени t_пп(н) возникновения начала изменения в схеме до момента времени t_пп(к) окончания перехода состояния схемы в новое установившееся состояние, наблюдают переходный процесс, на котором электрические сигналы (напряжение, ток) не являются периодическими и структуру сигнала а_пп(t) переходного процесса на интервале времени [t_пп(н),t_пп(к)] существования рассматриваемого режима представляют через сумму двух сигналов, первый из которых связывают с понятием сигнала а_св(t) свободного режима, который на указанном интервале времени затухает, а второй сигнал а_уст(t) является периодическим либо синусоидальным, либо несинусоидальным сигналом установившегося режима [Татур Т.А., Татур В.Е. Установившиеся и переходные процессы в электрических цепях: Учеб. пособие для вузов. - М: Высш. шк., 2001. С. 177-178.], который в общем случае на интервале времени [t_пп(н),t_пп(к)] является несинусоидальным сигналом:

при этом в системе электроснабжения сигнал а_св(t) свободного режима преимущественно является однополярным [Алгоритмы подавления апериодической составляющей в аварийных токах / А.Л. Куликов, В.А. Фальшина, П.А Колобанов // Электричество. 2014. №11. С. 26-36.)].

Для большинства измерительных органов, например используемых в устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики в системах электроснабжения переменного тока с частотой f_c, появление в обрабатываемом ими сигнале а_пп(t) переходного процесса сигнала а_св(t) свободного режима считают «помехой», влияние которой на выходные параметры измерительного устройства стремятся исключить или свести к допустимому уровню [См. статью: «Алгоритмы подавления …».], так как измерительные органы релейной защиты генерируют выходной сигнал либо на основе параметров гармонического сигнала промышленной частоты f_c, либо на основе первой гармоники периодического несинусоидального сигнала с частотой повторения f_c, либо на основе действующего значения периодического несинусоидального сигнала.

В качестве ближайшего прототипа можно выделить изобретение на способ по патенту [Пат. №2379823 (RU) Способ идентификации апериодической или постоянной составляющей в электрическом сигнале, В.А. Мамаев; опубл. 20.01.2010. Бюл. №2]. Общим для предлагаемого способа идентификации сигнала установившегося режима а_уст(t) в электрическом сигнале переходного процесса а_пп(t) и способом по прототипу являются использование последовательности обработки сигнала переходного процесса а_пп(t), которая, в конечном итоге, позволяет получить косвенную информацию о наличии переходного процесса в системе электроснабжения переменного тока промышленной частоты f_c, причем для этого сигнал переходного процесса а_пп(t) умножают на первый вспомогательный гармонический сигнал с нормированными амплитудой, например, равной единице, и частотой f_{(всп_1)}, при этом, учитывая особенность взаимодействие этого сигнала с сигналом переходного процесса а_пп(t), первый вспомогательный сигнал можно рассматривать в качестве модулирующего сигнала:

при этом в результате перемножения указанных выше сигналов формируют некоторый промежуточный сигнал, который является модулированным по амплитуде сигналом переходного процесса, который состоит из суммы модулированного сигнала свободного режима и модулированного сигнала установившегося режима :

причем между частотой f_{(всп_1)} вспомогательного сигнала (2) и частотой электрической сети f_c соблюдают соотношение f_{(всп_1)}>>f_c, при этом по прототипу из модулированного сигнала (3) переходного процесса посредством селективного выделения сигнала с частотой f_{(всп_1)} первого вспомогательного сигнала (2) получают выделенный модулированный гармонический сигнал (4), который в общем случае имеет затухающую амплитуду, близкую к закону изменения затухающего сигнала а_св(t) свободного режима (1), при этом в общем случае в гармонической функции времени этого сигнала может присутствовать фазовый угол ψ, который может быть обусловлен фазовой погрешностью, связанной с выполнением селективного выделения модулированного сигнала свободного режима:

при этом по прототипу обнаружение этого сигнала косвенно свидетельствует о наличии в электрической системе промышленной частоты f_c переходного процесса.

В источнике [Мамаев В.А., Ястребов С.С., Кононова Н.Н., Звада П.А. Определение апериодической составляющей в электрическом сигнале промышленной частоты с применением амплитудной модуляции // Изв. вузов. Электромеханика. 2014. №6. С. 72-77.] приведен пример компьютерного моделирования выделения модулированного гармонического свободного сигнал (4) из программным образом синтезированного некоторого виртуального сигнала переходного процесса , приведено решение, приводящее к получению огибающей модуля выделенного модулированного гармонического сигнала (4) свободного режима; показано, что закон изменения полученной огибающей близок к закону изменения однополярного сигнала а_св(t) свободного режима, входящего в структуру некоторого синтезированного сигнала переходного процесса.

Из патента №2379823 (RU) и источника [В.А. Мамаев и др.] известны следующие используемые операции над сигналом переходного процесса а_пп(t) (1):

1. его модуляции гармоническим сигналом (2) и получение модулированного сигнала (3);

2. селективное выделении из модулированного сигнала переходного процесса выделенного модулированного сигнала (4) свободного режима;

3. получение на его основе положительного огибающего сигнала (5) модулированного сигнала , т.е. известна следующая последовательность действий над сигналом а_пп(t) (1), которая обеспечивает выделение из него, например, положительного огибающей сигнала свободного режима:

при этом в результате выполнения отмеченных выше действий с учетом возможных погрешностей преобразовании получают близкое соотношение между огибающим сигналом свободного режима и входящим в структуру переходного сигнала (1) реальным сигналом свободного режима а_св(t).

Целью предлагаемого изобретения является повышение метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей соответствующего измерительного органа релейной защиты и противоаварийной автоматики на интервале [t_пп(н),t_пп(к)] существования переходного процесса в электрическом сигнала а_пп(t) (1), когда присутствующий в этом сигнале сигнал свободного режима а_св(t) считают «помехой», причем измерительный орган релейной защиты и противоаварийной автоматики принимает решение либо на основе параметров первой гармоники сигнала а_уст(t) с частотой f_c (1) установившегося режима, либо в качестве обрабатываемого измерительным органом сигнала используют действующее значение сигнала а_уст(t) установившего режима.

Согласно предлагаемому способу по изобретению решение задачи связывают с выделением сигнала а_уст(t) установившегося режима из состава сигнала а_пп(t) (1) переходного процесса, которое осуществляют на основе одного из двух предлагаемых в изобретении вариантов, однако эти варианты имеют общее, которое заключается в том, что входящий в структуру электрического сигнала а_пп(t) (1) переходного процесса сигнал а_уст(t) установившегося режима получают в результате алгебраического сложения двух сигналов, первым из которых является электрический сигнал а_пп(t) переходного процесса, а второй сигнал получают в результате перемножения трех сомножителей: первого сомножителя Y, второго сомножителя Z и третьего сомножителя, которым является огибающий сигнал (5), т.е. идентификацию сигнала установившегося режима а_уст(t) выполняют через вычисляемый по выражению (6) сигнал :

в котором первый сомножитель Y корректирует возможную неточность воспроизведения мгновенным значением огибающего сигнала , входящего в структуру электрического сигнала а_пп(t) переходного процесса сигнала а_св(t) свободной составляющей, причем второй сомножитель Z определяет знак произведения из трех сомножителей, причем параметры второго сомножителя задают по одному из трех вариантов, при этом согласно первого варианта знак и численное значение сомножителя Z в предложенном изобретении задают на основе получаемого знака результата вычисления z₍₁₎ (7) определенного интеграла произведения двух функций времени, первая из которых является выделенным модулированным сигналом свободной составляющей (3, 4) переходного процесса, а вторым сигналом является вводимый в вычислительный процесс второй вспомогательный синусоидальный сигнал b_{(всп_2)}(t) (7) с нормированной амплитудой, например, равной единице, но при этом частота этого сигнал равна частоте f_{(всп_1)} первого вспомогательного сигнала , причем в аргумент функции синуса второго вспомогательного сигнала b_{(всп_2)}(t) в качестве уставки вводят корректирующий фазовый угол θ, т.е. знак множителя Z определяют на основе выражения следующей структуры:

при этом интервал интегрирования [t₁,t₂] предпочтительно выбирать в границах [t_пп(н),t_пп(к)] существования переходного процесса и предпочтительно ближе к его левой границе, при этом посредством вводимого в вычислительный процесс корректирующего фазового угла θ уменьшают или исключают влияние фазового угла ψ, который может проявиться как результат фазовой погрешности при селективном выделения модулированного сигнала свободной составляющей (5) из модулированного сигнала переходного процесса (3).

Во втором варианте знак и численное значение сомножителя Z в выражении (6) задают на основе вычисления значения (8), которое получают в результате деления модуля определенного интегрирования электрического сигнала переходного процесса а_пп(t) на модуль определенного интегрирования мгновенного значения суммарного сигнала a_Σ(t_i), т.е.

или согласно третьему варианту знака и численное значение сомножителя Z в выражении (6) задают на основе вычисления разности (9) модулей определенного интегрирования мгновенных значений сигнала переходного процесса а_пп(t) и определенного интегрирования суммарного сигнала a_Σ(t), т.е.

при этом интервал интегрирования [t₃,t₄] выбирают внутри интервале времени [t_пп(н),t_пп(к)] существования переходного процесса, причем суммарный сигнал a_Σ(t) в выражениях (8) и (9) определяют через сложение сигнала а_пп(t) переходного процесса и полученного огибающего положительного огибающий сигнала (5) свободного режима, т.е.

Предлагаемый способ идентификации сигнала а_уст(t) установившегося режима, входящего в структуру электрического сигнала переходного процесса а_пп(t) (1) может быть выполнен с использованием известных в технике синтеза измерительных органов релейной защиты, автоматики и электронике схемотехнических решений, а так же реализован на основе методов цифровой обработки сигналов.