Применение сложных модулированных сигналов в защитах ЛЭП абсолютной селективности

ПРИМЕНЕНИЕ СЛОЖНЫХ МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В ЗАЩИТАХ ЛЭП АБСОЛЮТНОЙ СЕЛЕКТИВНОСТИ

КУЛИКОВ А.Л., канд. техн. наук, ПЕТРУХИН А.А., инж.

Предлагается применение сложных модулированных сигналов в устройствах защит абсолютной селективности линий электропередачи для повышения точности измерений при одновременном уменьшении мощности излучения. Приведены структурная схема реализации устройства и математические расчеты, количественно показывающие преимущественное использование таких сигналов при решении задач электромагнитной совместимости релейной защиты.

Ключевые слова: способ передачи информации, дифференциально-фазная защита, ЛЧМ-импульс, дешифратор, время-частотная модуляция.

APPLYING COMPLEX MODULATED SIGNALS IN ABSOLUTE SELECTIVITY PROTECTION OF POWER TRANSMISSION LINES

А.L. KULIKOV, Candidate of Engineering, A.A. PETRUKHIN, Engineer

The article considers applying complex modulated signals in protection devices of absolute selectivity at power transmission lines with the aim of increasing measurement precision and reducing radiation power. The structural scheme of the device is given as well as mathematic calculations which show advantages of modulated signals when solving problems of relay protection electromagnetic compatibility.

Key words: information transmission methods, phase comparison relay system, linear chirp, decoder, time-frequency modulation.

Обычно система защиты высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) состоит из основных и резервных защит. Основная защита является, как правило, защитой абсолютной селективности и требует канала связи для обмена информацией с разных концов ЛЭП. Канал связи может быть организован с использованием ВЧ-обработки, телефонных линий радио- и оптоволоконной связи. Основная защита абсолютной селективности часто называется в зарубежных источниках как «пилотная защита» (pilot relaying) [1].

Релейная часть пилотных защит содержит измерительный орган и схему принятия решения. Принцип работы реле базируется на измерениях направления, фазового угла, амплитуды тока, сопротивления и др. Решение на выдачу сигнала отключения на выключатель ЛЭП зависит от сопоставления информации на обоих концах линии.

В отличие от проводных защит абсолютной селективности, в беспроводных применяется, как правило, специальная модуляция сигналов для передачи информации с разных концов ЛЭП. Например, при организации ВЧ-связи по ЛЭП, из-за ограниченной полосы частот, требуется специальное коди-

рование для передачи направления тока, его фазового угла и других параметров, которые могут характеризовать повреждение. Если в проводных системах факт наличия повреждения ЛЭП отражается через физическое подключение (наличие или параметры тока в кабеле), то в беспроводных системах - через параметры высокочастотных сигналов.

Современные цифровые средства формирования и обработки высокочастотных сигналов позволяют использовать следующие виды модуляции [2]:

амплитудная импульсная периодическая и непериодическая;

импульсная модуляция с частотной манипуляцией в пределах импульсов;

импульсная модуляция с фазовой манипуляцией в пределах импульсов;

частотная модуляция и фазовая манипуляция близких к непрерывным (квазине-прерывным) сигналам;

многочастотное излучение импульсных сигналов и, в частности, последовательное излучение импульсов на различающихся частотах;

і

излучение, близкое к непрерывным немодулированным (в том числе и пачечным) сигналам;

комбинации перечисленных видов модуляций.

Однако в каналах ВЧ-связи отечественных и зарубежных защит абсолютной селективности применяются модулированные сигналы, соответствующие принципам организации общей связи, без специализации к задачам релейной защиты [1, 3].

Ориентированный на решение задачи релейной защиты способ передачи информации между полукомплектами защит абсолютной селективности можно реализовать путем введения специального кодирования сигналов. При этом целесообразно использование указанных ранее видов модуляций.

В качестве варианта технического решения рассмотрим устройство для дифференциально-фазной защиты ЛЭП, содержащее два полукомплекта, каждый из которых состоит из двух приемников, синтезатора импульсов, формирователя кодов, передатчика, блока задания кодов, дешифратора блоков памяти, аналого-цифровых преобразователей и усилителей. Вычислительное устройство включает микропроцессор (или микроЭВМ), дополнительно формирующий управляющие сигналы (рис. 1).

Первые приемники принимают сигналы точного времени от одной из радиостанций (или сигналы GPS) и формируют на своих выходах реперный импульс (рис. 2, диаграмма 11), относительно которого синтезаторы формируют последовательности импульсов с частотой следования 100Гц (рис. 2, диаграмма 12).

Импульсы частотой 100 Гц поступают на формирователи кодов N1 и N2, пропорциональных интервалам Т1 и Т2 между положительными нуль-переходами напряжений в соответствующих точках ЛЭП (рис. 2) и нечетными импульсами, поступающими с выходов синтезаторов. Полученная в формирова-

телях информация об интервалах времени Т1 и Т2 в виде параллельных или числоимпульсных кодов, а также импульсы частотой 100 Гц с выходов синтезаторов поступают на входы дешифраторов, представляющих собой устройство для декодирования в общепринятом понимании.

Дешифраторы каждого из полуком-плектов в соответствии с комбинацией сигналов на входах со своих выходов выдают управляющие сигналы либо на первый, либо на второй блоки памяти. Первый и второй блоки памяти предназначены для хранения кодов отсчетов широкополосных сигналов. Комбинация дешифратора и блока памяти позволяет реализовать специализированное запоминающее устройство, участвующее в формировании широкополосных сигналов.

В качестве примера реализации способа дифференциально-фазной защиты рассмотрим функционирование устройства с использованием широкополосных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-импульсов). При появлении на входе дешифратора нечетного синтезирующего импульса под воздействием управляющего сигнала с его выхода на первый блок памяти коды отсчетов ЛЧМ-импульсов поступают на первый цифроаналоговый преобразователь.

Далее через усилитель и передатчик сформированный ЛЧМ-импульс начинает излучаться в линию. Зависимость напряжения от времени для излучаемого ЛЧМ-импульса с прямоугольной огибающей описывается выражением

и

где ^ ^ = Т = 20 мс - период колебаний на-

пряжения сети; ит - амплитуда ЛЧМ-импульса; юн = 2п /н - начальная частота; в = dю/dt - скорость изменения частоты.

© ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

СР8

Формиро- Дешифра-

ватель тор

Блок Микро-

кодов ЭВМ

Блок аналого-цифрового преобразования

Второй

приемник

I.

«- Первый блок памяти Первый приемник

1

Второй Синтезатор

4— блок 4і импульсов

памяти

Дешифра- Формиро-

тор ватель

Второй

приемник

Блок аналого-цифрового преобразования

Микро- Блок

ЭВМ кодов

Рис. 1. Структурная схема дифференциально-фазной защиты с использованием ЛЧМ-сигналов

со

«Вестник ИГЭУ» Вып. 2 2008

и

11

0

и

12

и

19

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие работу дифференциально-фазной защиты ЛЭП с использованием ЛЧМ-сигналов

Если положительный нуль-переход напряжения сети при работе полукомплекта произошел в период между нечетным и четным импульсами частотой 100 Гц (рис. 2), то дешифратор выдает управляющий сигнал на вход второго блока памяти для формирования задержанного ЛЧМ-импульса. Интервал задержки, например, соответствует длительности Т2 и коду ^, а напряжение задержанного ЛЧМ-импульса имеет вид

Цз = ит соб

Окончание формирования задержанного ЛЧМ-импульса Ц3() соответствует окончанию формирования ЛЧМ-импульса Ц1(), т.е. моменту времени к. Таким образом, для рассматриваемого случая передатчиком полу-комплекта производится излучение незадержанного и1(и задержанного Ц3(/) ЛЧМ-импульсов.

Если положительный нуль-переход напряжения сети при работе полукомплекта произошел в период между четным и нечетным импульсами частотой 100 Гц (рис. 2), то дешифратор не выдает управляющий сигнал на вход второго блока памяти. Передатчик переводится в состояние, когда излучается только незадержанный ЛЧМ-импульс. При этом дешифратор находится в режиме ожидания окончания временного интервала, например Т1, соответствующего коду N-1, и при наступлении указанного времени выдает управляющий сигнал на первый блок памяти на прекращение выдачи кодов мгновенных отсчетов ЛЧМ-импульса. Формируемый ЛЧМ-импульс (рис. 2) соответствует выражению

Ц2 = ит соб

и имеет длительность, не превышающую Т = 20 мс.

Таким образом, время наступления положительного нуль-перехода напряжения сети для рассмотренных случаев кодируется, соответственно, в задержке или в окончании формирования ЛЧМ-импульса.

ЛЧМ-импульсы с выходов передатчиков через второй приемник подвергаются аналогоцифровому преобразованию в соответствующем блоке и поступают в микроЭВМ. В микроЭВМ происходит вычисление угла сдвига

фаз ф между векторами напряжений в различных точках сети на основе время-частотной обработки ЛЧМ-импульсов [9].

Вычисленное значение угла сдвига фаз ф в микроЭВМ сравнивается с заданным значением уставки в блоке задания кодо, и в случае превышения вырабатываются сигналы защиты ЛЭП, поступающие на входы органов аварийной автоматики.

Рассмотрим более подробно особенности время-частотной обработки ЛЧМ-импульсов. При этом ЛЧМ-импульсы (задержанные и незадержанные) подвергаются полной демодуляции с характеристиками, соответствующими незадержанному ЛЧМ-импульсу Ц1(). Дополнительно реализуются процедуры цифрового спектрального анализа [4], например, на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ) или быстрого преобразования Фурье (БПФ). Размерность процедур спектрального анализа (ДПФ, БПФ) определяется параметрами ЛЧМ-импульсов и требованиями точности определения угла сдвига фаз ф.

В силу идентичности характеристик задержанного и незадержанного ЛЧМ-импульсов (рис. 2) после демодуляции задержанного иЗУ) ЛЧМ-импульсв образуется цифровой аналог низкочастотной составляющей напряжения

Цн

= Ц соб(0  + у(7?)),

где О = 2п / = в Т2 - разность частот (рис. 2); Т(72) = (юн Т2 - в ^/2) - набег фазы.

Из выражения (4) следует, что разностная частота О = в Т2 однозначно определяется временем задержки и соответствует моменту положительного нуль-перехода для измерений между нечетным и четным импульсами частотой 100 Гц. Таким образом, процесс демодулирования преобразует информацию, заключенную в интервале Т2, в информацию, выраженную в частоте цифрового аналога низкочастотной составляющей напряжения Цн(/). Разностная частота О определяется соотношением отсчетов ДПФ (БПФ), соответствующих задержанному и не-

задержанному ЛЧМ-импульсам (например, отсчетов амплитудно-частотного спектра).

В результате демодуляции ЛЧМ-импульса Ц2(0 (выражение (3)) образуется цифровой аналог сжатого импульса, соответствующего по параметрам сжатому незадержанному импульсу Ц1(/), но отличающийся временем образования (рис. 2). Таким образом, для незадержанного импульса информация о временном интервале Т1 положительного нуль-перехода содержится в моменте появления сжатого импульса или во временной разнице появления сжатых незадержанных ЛЧМ-импульсов (рис. 2).

После определения интервалов Т2 и Т1 на основе частотных и временных измерений микроЭВМ производит расчет угла сдвига фаз:

= 2%x

J T ’

где Т - значение периода колебаний напряжения сети.

Следует отметить, что при время-частотной цифровой обработке ЛЧМ-импульсов учитываются задержки сигналов в каналах (линиях) связи, нелинейности их трактов, задержки в блоках устройства и элементах вычислительной техники.

Наряду с рассмотренным смешанным вариантом, когда положительные нуль-переходы происходят при разных сочетаниях нечетных и четных импульсов частотой 100 Гц, возможны несмешанные варианты. При этих вариантах информация о временных интервалах Т1 и Т2 выявляется либо только на основе частотных измерений разностных частот (Q1, Q 2) для задержанных ЛЧМ-импульсов (рис. 3), либо только на основе временных измерений появления сжатых незадержанных ЛЧМ-импульсов (рис. 4).

В заключение заметим, что работа рассматриваемого устройства может быть реализована с использованием и других сложных сигналов, например, фазо- или частотно-манипулированных (модулированных). В этом случае информация об интервалах Т1 и Т2 (кодах N1 и N2) кодируется в параметрах соответственно фазовой или частной манипуляции (модуляции).

Поскольку измерения разности фаз непосредственно связаны с измерением временных интервалов, то точность реализации дифференциально-фазной защиты в условиях шумов и помех можно характеризовать точностью временных измерений.

Точность измерения временных интервалов с использованием различных сигналов в условиях шума [2] определяется выражением среднеквадратической ошибки (стандартного отклонения):

1

= ------ ,

q хП э

где q - отношение сигнал/шум; ПЭ - эффективная полоса сигнала.

Введем отношение значений сигнал/шум q при заданной фиксированной точности стх измерения временных интервалов для различных импульсов: q1 - немодулиро-ванного, q2 - ЛЧМ-импульса:

к - К

q2 Т

Для простоты рассуждений считаем, что измерения временных интервалов производится на фоне «белого» шума с постоянной спектральной плотностью (N(f) = N0 = const), что физически оправданно [6].

Для немодулированных импульсов

среднеквадратическая ошибка измерений временных интервалов определяется длительность импульса U [2]:

1

ті

qi хП

, Пэ--, qi —±-.

Э1

3т1

При использовании сложных сигналов, например, импульса с линейной частотной модуляцией (лЧм) и прямоугольной огибающей, среднеквадратическая ошибка измерения временных интервалов составляет [2]

л/э

стт2 = Т ^----------------------------------------,

q2

q2 х ПЭ2 х п

л/3

стх2 х Пэ2 х п

где Пэ2 = /к - /н - ширина спектра, (девиация частоты) ЛЧМ-импульса с прямоугольной огибающей.

и

и«)\ 11 °Ц

и(0

12

0-

\<

() ' 1 _| 1к $ ? 7

14

II 1 ) 1 ^ 2 - ~ГГ' 1 ,

0 1 N 1 ННННННННННН : 1 1 ' 1 1 t

0 ННННННШННННН ' t

‘' 1 [ / \ t.

0 ' < Т2 К / \ t

15

16

17

18

Рис. 3. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства защиты для задержанных ЛЧМ-импульсов

0

и\ 11 0

ищ 12 0

и(() 16 0 и(V.

17

N2

N.

Рис. 4. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства защиты для сжатых незадержанных ЛЧМ-импульсов

0001010153020201010202020002

Таким образом, выражение (6) приобретает вид

к _ *и х стт2 х ПЭ2 х п

Ц2 стт1 х л/3

При фиксированном стх = стх1 = стх2

имеем

л/3 л/3

где В - база сигнала.

В трактах высокочастотной обработки ЛЭП возможна передача сигналов в пределах полосы ПЭ2 = /к - /н = 106 Гц = 1МГц [6].

Исходя из принципов работы предлагаемого устройства, длительность ЛЧМ-импульса не может быть меньше /и = 10-2 с = 10 мс, следовательно, база сигнала В может достигать значений

В = /и Пэ2 = 10-2 • 106 = 104,

а значение коэффициента, соответственно, -

K = 1,81 B = 1,81 •Ю4.

Полученный результат расчетов показывает, что при заданной точности измерения временных интервалов (значений фазовых углов) предлагаемое устройство производит надежные оценки при меньших более чем в 10000 раз отношениях сигнал/шум. Учитывая, что

q_

N0

где Еи - энергия импульса, в рассматриваемом устройстве может быть обеспечена точность, одинаковая, с точностью при исполь-

зовании немодулированного излучения при сигнале с меньшей в 100 раз амплитудой. Или наоборот, при одинаковой амплитуде сигнала обеспечивается, соответственно, более высокая точность измерений в условиях шумов и помех.

Таким образом, применение сложных сигналов с время-частотной модуляцией, обеспечивающих высокую разрешающую способность, точность временных измерений и возможность использования эффективных методов обработки при воздействии шумов и помех, является перспективным направлением совершенствования защит абсолютной селективности. Анализ энергетических характеристик таких сигналов показывает преимущественное их использование при решении задач электромагнитной совместимости релейной защиты.

Список литературы

1. Elmore W.A. Pilot protective relaying. Marcel Dek-ker Inc. - New York, 2000.

2. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007.

3. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. -М.: Энергоатомиздат, 2007.

4. Патент РФ №2307437 МПК Н02Н3/28: Способ дифференциально-фазной защиты линии электропередачи / А.Л. Куликов, Д.В. Николаенко; Опубл. 27.09.2007, бюллетень №27.

5. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его применения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.

6. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических системах. - М.: Энергоатомиздат, 1982.

Куликов Александр Леонидович,

филиал ОАО «ФСК ЕЭС» - Нижегородское ПМЭС,

кандидат технических наук, директор,

e-mail: info@npmes.elektra.ru

Петрухин Андрей Алексеевич, филиал ОАО «ФСК ЕЭС» - Нижегородское ПМЭС, главный специалист, руководитель группы, e-mail: petruhin@npmes.elektra.ru