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 предлагаемому является устройство, содержащее первый и второй выпрямительные блоки, выполненные в виде диодов, катод и анод которых являются, соответственно, клеммой напряжения генератора и клеммой напряжения сети, сумматор, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с анодом первого и с катодом второго диодов, первый и второй операционные усилители, являющиеся, соответственно, повторителем и пороговым блоком, входы которых соединены с выходом сумматора, третий и четвертый диоды, аноды которых соединены с выходами первого и второго операционных усилителей, соответственно, умножитель, входы которых соединены с катодами третьего и четвертого диодов, первый и второй инверторы, входы которых соединены, соответственно, с катодами третьего и четвертого диодов, а также первый, второй и третий исполнительные элементы, соединенные, соответственно, с выходом умножителя и первого и второго инверторов [1].
Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно вырабатывает сигнал примерного равенства амплитуды напряжений сети и генератора, что указывает на временной интервал возможной подстройки фазы генератора к фазе сети, но не вырабатывает сигнала допустимого (или недопустимого) рассогласования фаз генератора и сети в интервале возможной подстройки с проверкой условий близости частот сети и генератора.
Задачей, которая решается в предложенном изобретении, является разработка реле разности фаз, обеспечивающее 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 и первый пороговый блок, согласно изобретению, введены второй пороговый блок, вход которого является входом напряжения генератора, первый элемент И, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходом второго порогового блока и с выходом первого порогового блока, вход которого является входом напряжения сети, первый и второй формирователи коротких импульсов, входы которых соединены с выходом первого порогового блока, первый, второй и третий элементы ИЛИ, первый и второй фильтры-усреднители, второй и третий элементы И, первый и второй счетчики импульсов, счетные входы которых 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, последовательно соединенные делитель, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго фильтров-усреднителей, соответственно, и третий пороговый блок, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, последовательно соединенные одновибратор, вход которого является входом запуска реле разности фаз, и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с третьим входом первого элемента И и со вторым входом второго элемента И, RS-триггер, R-вход которого 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 со вторым входом второго элемента И, четвертый пороговый блок, выход «больше» которого соединен с первым входом третьего элемента И, пятый пороговый блок, выход «меньше» которого соединен со вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с четвертым входом первого элемента И, алгебраический сумматор, выход которого соединен с первыми входами четвертого и пятого пороговых блоков, первый частотно-зависимый элемент, вход которого соединен со входом второго порогового блока, а выход - соединен с вычитающим входом алгебраического сумматора, а также последовательно соединенные второй частотно-зависимый элемент, вход которого соединен со входом первого порогового блока, а выход - соединен с суммирующим входом алгебраического сумматора, умножитель на постоянный коэффициент, выход которого соединен со вторым входом пятого порогового блока, и инвертор, выход которого соединен со вторым входом четвертого порогового блока, при этом 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-триггер 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 со вторым 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 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 входом 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, 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 3, на фиг. 2,в - на выходе первого элемента И 4.
Исполнительный элемент 1 может быть выполнена в виде обмотки реле, которая непосредственно или через усилитель соединена с выходом третьего порогового блока 17. Первый 2, второй 3, четвертый 21 и пятый 22 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 является выходом фильтра-усреднителя. Первый 5 и второй 6 формирователи коротких импульсов формируют на своем выходе импульсы заданной длительности при перепаде их входных напряжений с уровня логического нуля на уровень логической единицы и с выхода логической единицы на уровень логического нуля, соответственно. 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 [2…4].
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-тригтера 12.
г
с
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. 2,а 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 первого 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 пропорционален частоте сети. Формируемые ими сигналы алгебраически складываются в алгебраическом сумматоре 23 и подаются на первые 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 - на 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.
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, то повышается точность работы реле и обеспечивается его некритичность к абсолютным значениям частот сети и генератора, что повышает его помехоустойчивость.
Источники информации
1. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с. 355, рис. 12.16.
2. Патент РФ на изобретение 2220468 С1, Н01Н 47/18. Реле разности фаз / В.В. Березов. Опубл. 27.12.2002.
3. Патент РФ на изобретение 2484547 С1, Н01Н 47/20. Реле разности фаз / А.В. Мосиенко, Э.В. Борисов, В.Е. Казарин, А.С. Безбородов, Н.Н. Тацышин, О.С. Купач. Опубл. 10.06.2013.
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.