РЕЛЕ РАЗНОСТИ ФАЗ
PHASE DIFFERENCE RELAY

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты, например, в качестве реле разности фаз напряжений сети и генератора.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является реле разности фаз, содержащее первый сумматор, первый компаратор, второй компаратор, вход которого является входом для подключения напряжения сети, первый элемент И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого компаратора, вход которого является входом для подключения напряжения внешнего генератора, и второго компаратора, генератор тактовых импульсов, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И, последовательно соединенные первый блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, и первый двухсторонний ограничитель, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, последовательно соединенные первый нерекурсивный фильтр, информационный вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход соединен со вторыми входами первого сумматора и первого блока вычитания, третий компаратор и первый исполнительный элемент, последовательно соединенные второй блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого двухстороннего ограничителя, второй двухсторонний ограничитель, второй сумматор, соединенный первым входом с выходом двухстороннего ограничителя, и второй нерекурсивный фильтр, выход которого соединен со вторыми входами второго блока вычитания и второго сумматора, четвертый и пятый компараторы, входы которых соединены с выходом второго нерекурсивного фильтра, последовательно соединенные третий элемент И, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего, четвертого и пятого компараторов соответственно, и второй исполнительный элемент, последовательно соединенные формирователь короткого импульса по заднему фронту, вход которого соединен с выходом первого элемента И и со вторым входом второго элемента И, а выход соединен с управляющими входами первого и второго нерекурсивных фильтров, элемент задержки и элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом установки в ноль счетчика импульсов, и также одновибратор, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, входом запуска генератора тактовых импульсов и входами установки в ноль первого и второго нерекурсивных фильтров, а на вход одновибратора подается питание [1].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая точность и относительно низкая помехоустойчивость в условиях возможных кратковременных сбоев относительных значений амплитуд напряжений сети и генератора.
Задачей, которая решается в предложенном изобретении, является разработка реле разности фаз, обеспечивающего повышение точности и помехоустойчивости в условиях возможных кратковременных сбоев относительных значений амплитуд напряжений сети и генератора.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и помехоустойчивости.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее исполнительный элемент, первый и второй пороговые блоки, первый и второй фильтры-усреднители, первый формирователь коротких импульсов, первый и второй алгебраические сумматоры, первый элемент ИЛИ и первый и второй элементы И, согласно изобретению введены одновибратор, генератор тактовых импульсов, RS-триггер, второй и третий формирователи коротких импульсов, второй, третий и четвертый элементы ИЛИ, третий и четвертый элементы И, третий четвертый, пятый, шестой и седьмой пороговые блоки, первый и второй счетчики импульсов, делитель, первый и второй частотно-зависимые элементы, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый и второй выпрямители, при этом вход второго порогового блока является входом напряжения генератора, первый и второй входы первого элемента И соединены соответственно с выходом второго порогового блока и с выходом первого порогового блока, вход которого является входом напряжения сети, входы первого и второго формирователей коротких импульсов соединены с выходом первого порогового блока, счетные входы первого и второго счетчиков импульсов соединены с выходами соответственно первого и второго элементов И, входы установки в ноль соединены с выходами первого и второго элементов ИЛИ соответственно, а выходы соединены с информационными входами первого и второго фильтров-усреднителей соответственно, делитель, первый и второй входы которого соединены с выходами, первого и второго фильтров-усреднителей соответственно, последовательно соединен с третьим пороговым блоком, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, одновибратор, вход которого является входом запуска реле разности фаз, последовательно соединен с генератором тактовых импульсов, выход которого соединен с третьим входом первого элемента И и со вторым входом второго элемента И, R-вход RS-триггера соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, S-вход соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, с тактовыми входами первого и второго фильтров-усреднителей и с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, а выход соединен с первым входом второго элемента И, выход «больше» четвертого порогового блока соединен с первым входом третьего элемента И, выход «меньше» пятого порогового блока соединен со вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с четвертым входом первого элемента И, выход первого алгебраического сумматора соединен с первыми входами четвертого и пятого пороговых блоков, вход первого частотно-зависимого элемента соединен со входом второго порогового блока, а выход соединен с вычитающим входом первого алгебраического сумматора, второй частотно-зависимый элемент, вход которого соединен со входом первого порогового блока, а выход соединен с суммирующим входом первого алгебраического сумматора, последовательно соединен с умножителем на постоянный коэффициент, выход которого соединен со вторым входом пятого порогового блока, и инвертором, выход которого соединен со вторым входом четвертого порогового блока, выход «меньше» шестого порогового блока соединен с первым входом четвертого элемента И, выход «больше» седьмого порогового блока соединен со вторым входом четвертого элемента И, при этом выход второго алгебраического сумматора соединен со входами шестого и седьмого пороговых блоков, вход первого выпрямителя соединен с входом первого порогового блока, а выход соединен с вычитающим входом второго алгебраического сумматора, вход второго выпрямителя соединен с входом второго порогового блока, а выход соединен с суммирующим входом второго алгебраического сумматора, четвертый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемент И, а выход соединен с третьим входом третьего элемента И, вход третьего формирователя коротких импульсов соединен с выходом четвертого элемента И, а выход соединен со вторым входом четвертого элемента ИЛИ, выход одновибратора соединен со вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ, с первым входом третьего элемента ИЛИ и с входами установки в ноль первого и второго фильтров-усреднителей, а выход второго формирователя коротких импульсов соединен со вторым входом третьего элемента ИЛИ.
На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема реле разности фаз, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.
Реле разности фаз (фиг. 1) содержит исполнительный элемент 1, первый пороговый блок 2, второй пороговый блок 3, вход которого является входом напряжения генератора, первый элемент И 4, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом второго порогового блока 3 и с выходом первого порогового блока 2, вход которого является входом напряжения сети.
Реле разности фаз содержит также первый 5 и второй 6 формирователи коротких импульсов, входы которых соединены с выходом первого порогового блока 2, а также первый 7, второй 8 и третий 9 элементы ИЛИ, первый 10 и второй 11 фильтры-усреднители, RS-тригтер 12, второй элемент И 13, первый 14 и второй 15 счетчики импульсов, счетные входы которых соединены с выходами соответственно первого 4 и второго 13 элементов И, входы установки в ноль соединены с выходами первого 7 и второго 8 элементов ИЛИ соответственно, а выходы соединены с информационными входами первого 10 и второго 11 фильтров-усреднителей соответственно.
Кроме того, реле разности фаз содержит последовательно соединенные делитель 16, первый и второй входы которого соединены с выходами первого 10 и второго 11 фильтров-усреднителей соответственно, и третий пороговый блок 17, выход которого соединен с входом исполнительного элемента 1, а также последовательно соединенные одновибратор 18, вход которого является входом запуска реле разности фаз, и генератор 19 тактовых импульсов, выход которого соединен с третьим входом первого элемента И 4 и со вторым входом второго элемента И 13, при этом R-вход RS-триггера 12 соединен с выходом третьего элемента ИЛИ 9, S-вход соединен с выходом первого формирователя 5 коротких импульсов, с тактовыми входами первого 10 и второго 11 фильтров-усреднителей и с первыми входами первого 7 и второго 8 элементов ИЛИ, а выход соединен с первым входом второго элемента И 13, третий элемент И 20, выход которого соединен с четвертым входом первого элемента И 4, четвертый пороговый блок 21, выход «больше» которого соединен с первым входом третьего элемента И 20, пятый пороговый блок 22, выход «меньше» которого соединен со вторым входом третьего элемента И 20, алгебраический сумматор 23, выход которого соединен с первыми входами четвертого 21 и пятого 22 пороговых блоков, первый частотно-зависимый элемент 24, вход которого соединен со входом второго порогового блока 3, а выход соединен с вычитающим входом первого алгебраического сумматора 23, а также последовательно соединенные второй частотно-зависимый элемент 25, вход которого соединен со входом первого порогового блока 2, а выход соединен с суммирующим ходом алгебраического сумматора 23, умножитель 26 на постоянный коэффициент, выход которого соединен со вторым входом пятого порогового блока 22, и инвертор 27, выход которого соединен со вторым входом четвертого порогового блока 21.
Реле разности фаз содержит также четвертый элемент И 28, шестой пороговый блок 29, выход «меньше» которого соединен с первым входом четвертого элемента И 28, седьмой пороговый блок 30, выход «больше» которого соединен со вторым входом четвертого элемента И 28, второй алгебраический сумматор 31, выход которого соединен со входами шестого 29 и седьмого 30 пороговых блоков, первый выпрямитель 32, вход которого соединен с входом первого порогового блока 2, а выход соединен с вычитающим входом второго алгебраического сумматора 31, а также второй выпрямитель 33, вход которого соединен с входом второго порогового блока 3, а выход соединен с суммирующим входом второго алгебраического сумматора 31, четвертый элемент ИЛИ 34, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемент И 28, а выход соединен с третьим входом третьего элемента И 20, а также третий формирователь 35 коротких импульсов, вход которого соединен с выходом четвертого элемента И 28, а выход соединен со вторым входом четвертого элемента ИЛИ 34, при этом выход одновибратора 18 соединен со вторыми входами первого 7 и второго 8 элементов ИЛИ, с первым входом третьего элемента ИЛИ 9 и с входами установки в ноль первого 10 и второго 11 фильтров-усреднителей, а выход второго формирователя 6 коротких импульсов соединен со вторым входом третьего элемента ИЛИ 9.
На фиг. 2,а представлены временные диаграммы сигналов на выходе первого порогового блока 2, на фиг. 2,б - на выходе второго порогового блока 2, на фиг. 2,в - на выходе первого элемента И 4.
Исполнительный элемент 1 может быть выполнен в виде обмотки реле, которая непосредственно или через усилитель соединена с выходом третьего порогового блока 17. Первый 2, второй 3, четвертый 21, пятый 22, шестой 29 и седьмой 30 пороговые блоки могут быть выполнены в виде аналоговых компараторов с нулевым порогом, а третий 17 пороговый блок - в виде цифрового компаратора. Первый 10 и второй 11 фильтры-усреднители могут быть выполнены в виде стандартных цифровых фильтров, содержащих регистр сдвига, информационный и тактовый входы и вход установки в ноль которого являются соответственно информационным, тактовым входом и входом установки в ноль фильтра-усреднителя, выходы регистра сдвига соединены через соответствующие им умножители на весовые коэффициенты с сумматором, выход которого являются выходом фильтра-усреднителя. Первый 5 формирователь коротких импульсов формируют на своем выходе импульсы заданной длительности при перепаде его входного напряжения с уровня логического нуля на уровень логической единицы, а второй 6 и третий 35 - с уровня логической единицы на уровень логического нуля. Первый 24 и второй 25 частотно-зависимые элементы могут быть выполнены в виде резонансных контуров, которые используются на линейной части правой ветви амплитудно-частотной характеристики. В соответствии с этим значения амплитуды выходных сигналов частотно-зависимых элементов будут обратно пропорциональны частотам входных сигналов.
Остальные блоки устройства являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания блоков, кроме цепи питания одновибратора 18 на фиг. 1, опущены как несущественные.
Работает реле разности фаз следующим образом.
При включении устройства питание подается на все его элементы, в том числе на вход запуска одновибратора 18, который вырабатывает импульс, поступающий на входы установки в ноль первого 10 и второго 11 фильтров-усреднителей, через соответственно первый 7 и второй 8 элементы ИЛИ - на входы установки в ноль первого 14 и второго 15 счетчиков импульсов, а также на вход запуска ГТИ 19 и на R-вход RS-триггера 12.
г
c
Сигналы напряжений внешнего генератора U и сети U поступают на входы второго 3 и первого 2 пороговых блоков соответственно, которые формируют из них последовательности импульсов, представленные на фиг. 2а и фиг. 2,б соответственно. На выходе первого элемента И 4 сигнал логической единицы формируется в интервале совпадения этих импульсов (фиг. 2,в). В пределах интервалов совпадения первый счетчик 14 суммирует импульсы с выхода первого элемента И 4, и его содержимое за интервал периода изменения напряжения сети будет пропорционально интервалу совпадения импульсов с выходов первого 2 и второго 3 пороговых блоков, т.е. характеризовать степень согласования фаз напряжений сети и генератора.
По переднему фронту импульса (фиг. 2,а) первый формирователь 5 формирует короткий импульс, по которому содержимое первого счетчика 14 переписывается в первый фильтр-усреднитель 10, в котором формируется усредненное значение интервалов совпадения импульсов (фиг. 2,а и фиг. 2,б), характеризующее усредненное значение степени согласования фаз напряжений сети и генератора.
В начале работы реле разности фаз по сигналу одновибратора 18, который подается на вход третьего элемента ИЛИ 9, RS-триггер 12 устанавливается в нулевое состояние и переводится в единичное состояние по короткому импульсу с выхода первого формирователя 5 коротких импульсов, который также подается на тактовый вход второго фильтра-усреднителя 11 и через малую задержку во втором элементе ИЛИ 8 - на вход установки в ноль второго счетчика 15 импульсов. По импульсу с выхода второго формирователя 6 RS-триггер 12 переводится в нулевое состояние. Следовательно, содержимое второго счетчика 13 импульсов будет пропорционально длительности импульса фиг. 2,а и во втором фильтре-усреднителе 11 будет формироваться текущая усредненная оценка длительности половины периода напряжения. Сигнал с выхода перового фильтра-усреднителя 10 делится в делителе 16 на сигнал с выхода второго фильтра-усреднителя. На выходе делителя 16 формируется сигнал, пропорциональный относительной величине сдвига фазы напряжения генератора относительно напряжения сети. Если степень совпадения фаз недостаточно высокая, то на выходе третьего порогового блока 17 формируется уровень логической единицы, что приводит к срабатыванию исполнительного элемента 1.
Кроме того, для повышения точности работы в реле постоянно производится контроль совпадения частот сети и генератора. Это производится следующим образом. Первый частотно-зависимый элемент 24 формирует сигнал, амплитуда которого обратно пропорциональна частоте генератора, а второй частотно-зависимый элемент 25 - обратно пропорционально частоте сети. Формируемые ими сигналы алгебраически складываются в алгебраическом сумматоре 23 и подаются на первый входы четвертого 21 и пятого 22 пороговых блоков. Кроме того, сигнал с выхода второго частотно-зависимого элемента 25 умножается на малый коэффициент в умножителе 26, величину которого выбирают из условия допустимого рассогласования частот сети и генератора. Результат умножения подается на второй вход пятого порогового блока 22 и после инвертирования в инверторе 27 - второй вход четвертого порогового блока. В результате этого сигнал логической единицы на выходе третьего элемента И 20 формируется только при условии достаточно близкого совпадения частот сети и генератора. Только при подаче уровня логической единицы с выхода третьего элемента И 20 на третий вход первого элемента И 4 в устройстве осуществляется описанная выше оценка близости фаз напряжений сети и генератора.
Дополнительно для повышения точности работы в реле обеспечивается контроль соблюдения условия, при котором амплитуды напряжения сети и генератора примерно равны. Именно тогда может быть обеспечена точность определения факта близости частот генератора и сети. Для этого сигналы с выходов первого 32 и второго 33 выпрямителей, характеризующих уровень сигнала сети и генератора соответственно, сравниваются во втором алгебраическом сумматоре 31 путем вычитания одного из другого. Разность этих сигналов сравнивается в шестом 29 и седьмом 30 пороговых блоках с верхним и нижним уровнями допустимого рассогласования амплитуд соответственно. Если отличие амплитуд незначительно, то на выходе четвертого элемента И 28 формируется сигнал с уровнем логической единицы, который подается через четвертый элемент ИЛИ 34 на третий вход третьего элемента И 20. Тогда при достаточной близости частот сети и генератора на выходе третьего элемента И формируется сигнал логической единицы, являющийся разрешающим для сравнения фаз напряжений сети и генератора. Если отличие амплитуд является существенным, то на выходе четвертого элемента И 28 сигнала с уровнем логической единицы не образуется и реле не производит сравнение фаз напряжений сети и генератора. При этом возможен случай, когда допустимый уровень отличий амплитуд напряжений сети и генератора нарушается кратковременно из-за сбоев в настройке параметров напряжения генератора или внешних помех. В этом случае сигнал с уровнем логической единицы лишь кратковременно меняется на уровень логического нуля. В этом случае третий формирователь 35 формирует импульс с уровнем логической единицы и длительностью, соответствующей временному интервалу, в пределах которого резкое возрастание или резкое увеличение амплитуды напряжения генератора относительно амплитуды напряжения сети не скажется на точности работы реле. Этот импульс компенсирует изменение сигнала с уровня логической единицы на уровень логического нуля на выходе четвертого элемента И и исключает влияние таких кратковременных сбоев на работу реле.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям расширяются функциональные возможности устройства, поскольку обеспечивается реакция реле на степень согласования фаз напряжений сети и генератора. При этом благодаря тому что постоянно производится контроль близости частот сети и генератора и что формируется относительная величина сдвига фаз, повышается точность работы реле и обеспечивается его некритичность к абсолютным значениям частот сети и генератора. Дополнительно в предложенном устройстве обеспечивается контроль близости амплитуд напряжений сети и генератора, а также исключается влияние кратковременных сбоев в соотношении этих амплитуд, что повышает точность и помехоустойчивость в условиях возможных кратковременных сбоев относительных значений амплитуд напряжений сети и генератора.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение 2220468 C1, Н01Н 47/18. Реле разности фаз / В.В. Березов. Опубл. 27.12.2002.
2. Патент РФ на изобретение 2484547 C1, Н01Н 47/20. Реле разности фаз / А.В. Мосиенко, Э.В. Борисов, В.Е. Казарин, А.С. Безбородое, Н.Н. Тацышин, О.С. Купач. Опубл. 10.06.2013.
3. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с. 355, рис. 12.16.
4. Электротехнический справочник, в 4-х томах, т. 2. Электротехнические изделия и устройства. Под общей редакцией В.Г. Герасимова и др. - М.: Издательство МЭИ, 1998 г., с. 390, рис. 35.10.