УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Полезная модель относится к области электроэнергетики, в частности к устройствам защиты высоковольтных линий электропередачи.
Известен способ дифференциально-фазовой защиты линии электропередачи [А.с. СССР №1665452, опубл. 23.07.91.], основанный на измерении интервала времени между ближайшими положительными нуль-переходами напряжений в разных концах линии и формировании сигнала управления органами релейной автоматики путем сравнения этого интервала времени с заданным значением, при этом в контролируемых концах линии вначале осуществляют прием сигналов точного времени от одной и той же радиостанции, синтезируют последовательности импульсов с частотой 50 Гц и начальной фазой, определяемой сигналом точного времени, фиксируют интервалы времени между ближайшим импульсом синтезируемого сигнала и положительными нуль-переходами напряжений в контролируемых концах линии, передают значения этих интервалов времени по линиям связи на приемное устройство в контролируемых концах линии, вычитают значения углов сдвигов фаз, полученных приемниками их значений, измеренных в тех концах линии, где находятся приемники, а результат вычитания используют в случае превышения для формирования сигнала управления. Устройство, реализующее способ, содержит два полукомплекта, каждый из которых состоит из первого приемника, синтезатора импульсов, формирователя кодов, пропорциональных интервалам времени, передатчика, блока задания кодов, первого компаратора кодов, второго компаратора кодов и второго приемника. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Задачей полезной модели являлось повышение точности и помехоустойчивости измерений.
Указанная задача решается устройством для дифференциально-фазной защиты линии электропередачи, состоящим из двух полукомплектов, каждый из которых содержит приемник сигналов точного времени, подключенные к нему и установленные последовательно синтезатор импульсов, формирователь кодов и передатчик, компараторы с блоком задания кодов, связанные с
приемником, в котором синтезатор импульсов выполнен с возможностью формировать последовательность импульсов с частотой следования 100 Гц, формирователь кодов связан с передатчиком через дешифратор и два установленные параллельно блока памяти, каждый с цифро-аналоговым преобразователем и усилителем, при этом синтезатор импульсов дополнительно связан напрямую с дешифратором, а в качестве компараторов установлена микро-ЭВМ.
Поскольку дешифратор является устройством, в котором реализуется логическая схема выбора управляющего сигнала, возможно прямое подключение дешифратора к передатчику для формирования команд на открытие линии связи для того или иного блока памяти.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема устройства для дифференциально-фазной защиты линии электропередачи. На фиг.2 - временная диаграмма работы устройства.
Устройство для дифференциально-фазной защиты линии электропередачи содержит два полукомплекта 1 и 2, каждый из которых состоит из первого приемника 3, синтезатора импульсов 4, формирователя кодов 5, передатчика 6, блока задания кодов 7, второго приемника 8, дешифратора 9, первого и второго блоков памяти 10 и 11 соответственно, связанные через цифро-аналоговые преобразователи 12 и 13 и усилители 14 и 15 с передатчиком 6. В качестве устройства, производящего вычисления и формирование управляющих команд используется микро-ЭВМ 16, связанная со вторым приемником через блок аналого-цифрового преобразователя 17. Дешифратор 9 дополнительно может быть связан напрямую с передатчиком 6.
Устройство работает следующим образом.
Первые приемники 3, принимают сигналы точного времени от одной из радиостанций (или сигналы системы GPS) и формируют на своих выходах реперный импульс (диаграмма 11 на фиг.2), относительно которого синтезаторы 4 формируют последовательности импульсов с частотой следования 100 Гц (диаграмма 12 на фиг.2).
Увеличение частоты формирования импульсов с 50 Гц (у прототипа) до 100 Гц (в предлагаемом способе) позволяет реализовать технику передачи широкополосных сигналов увеличенной длительности (не менее 0.1 с) и обеспечить высокое отношение сигнал/шум на входах приемников (в линии связи).
Импульсы частоты 100 Гц поступают на формирователи 5 кодов N1 и N2, пропорциональных интервалам Т1 и Т2 между положительными нуль-переходами напряжений в соответствующих точках ЛЭП (фиг.2) и нечетными импульсами, поступающими с выходов синтезаторов 4. Полученная в формирователях 5 информация об интервалах времени Т1 и Т2 в виде параллельных или числоимпульсных кодов, а также импульсы частотой 100 Гц с выходов синтезаторов 4 поступают на входы дешифраторов 9, представляющих собой устройство для декодирования в общепринятом понимании (например, Пурхальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учебное пособие для ВУЗов. - СПб.: Политехника, 1996).
Дешифраторы 9 каждого из полукомплектов в соответствии с комбинацией сигналов на входах со своих выходов выдают управляющие сигналы либо на первый 10, либо на второй 11 блоки памяти. Блоки памяти 10 и 11 предназначены для хранения кодов отсчетов широкополосных сигналов. Комбинация дешифратора 9 и блока памяти позволяет реализовать специализированное запоминающее устройство (Цифровая и вычислительная техника: Учебник для ВУЗов / Э.В.Евреинов, Ю.Г.Бутыльский, И.А.Мамзелев и др; Под ред. Э.В.Евреинова. - М.: Радио и связь, 1991), участвующее в формировании широкополосных сигналов.
В качестве примера дифференциально-фазной защиты рассмотрим функционирование устройства, с использованием широкополосных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ импульсов). При появлении на входе дешифратора 9 нечетного синтезирующего импульса под воздействием управляющего сигнала с его выхода на первый блок памяти 10 коды отсчетов ЛЧМ импульсов поступают на первый цифро-аналоговый преобразователь 12.
Далее через усилитель 14 и передатчик 6 сформированный ЛЧМ импульс начинает излучаться в линию связи. Зависимость напряжения от времени для излучаемого ЛЧМ импульса с прямоугольной огибающей описывается выражением
к
н
где t-t=T=20 мс - период колебаний напряжения сети;
m
U - амплитуда ЛЧМ импульса;
н
н
ω=2π·f - начальная частота;
- скорость изменения частоты.
Если положительный нуль-переход напряжения сети при работе полукомплекта произошел в период между нечетным и четным импульсами частотой 100 Гц (фиг.2), то дешифратор 9 выдает управляющий сигнал на вход второго блока памяти 11 для формирования задержанного ЛЧМ импульса. Интервал задержки, например, соответствует длительности Т2 и коду N2, а напряжение задержанного ЛЧМ импульса имеет вид
з
1
к
1
з
Окончание формирования задержанного ЛЧМ импульса U(t) соответствует окончанию формирования ЛЧМ импульса U(t), т.е. моменту времени t. Таким образом, для рассматриваемого случая передатчиком полукомплекта производится излучение незадержанного U(t) и задержанного U(t) ЛЧМ импульсов.
Если положительный нуль-переход напряжения сети при работе полукомплекта произошел в период между четным и нечетным импульсами частотой 100 Гц (фиг.2), то дешифратор 9 не выдает управляющий сигнал на вход второго блока памяти 11. Передатчик 6 переводится (по команде с дешифратора 9) в состояние, когда излучается только незадержанный ЛЧМ импульс. При этом дешифратор 9 находится в режиме ожидания окончания временного интервала, например, Т1 соответствующего коду N1, и при наступлении указанного времени выдает управляющий сигнал на первый блок памяти 10 на прекращение выдачи кодов мгновенных отсчетов ЛЧМ импульса. Формируемый ЛЧМ импульс (фиг.2) соответствует выражению
2
m
н
н
1
2
U(t)=U·соs(2π·f·t+β·t/2), t≤t≤Т,
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 8 подвергаются аналого-цифровому преобразованию в соответствующем блоке 17 и поступают в микро-ЭВМ 16. В микро-ЭВМ 16 происходит вычисление угла сдвига фаз φ между векторами напряжений в различных точках сети на основе время-частотной обработки ЛЧМ импульсов [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки
радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981. стр.123-134].
Вычисленное значение угла сдвига фаз φ в микро-ЭВМ 16 сравнивается с заданным значением блока задания кодов 7 и в случае превышения вырабатываются сигналы защиты ЛЭП, поступающие на входы органов аварийной автоматики.
1
Рассмотрим более подробно особенности время-частотной обработки ЛЧМ импульсов. При этом ЛЧМ импульсы (задержанные и не задержанные) подвергаются полной демодуляции с характеристиками, соответствующими не задержанному ЛЧМ импульсу U(t). Дополнительно реализуются процедуры цифрового спектрального анализа [Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990], 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 φ.
з
В силу идентичности характеристик задержанного и незадержанного ЛЧМ импульсов (фиг.2) после демодуляции задержанного U(t) ЛЧМ импульсов образуется цифровой аналог низкочастотной составляющей напряжения
2
где  Ω=2π·f=β·Т - разность частота (фиг.2);
2
н
2
2
ψ(Т)=(ω·Т-β·t/2) - набег фазы.
2
н
Из приведенного выражения (4) следует, что разностная частота  Ω=β·Т 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 U(t). Разностная частота  Ω определяется соотношением отсчетов ДПФ (БПФ), соответствующих задержанному и незадержанному ЛЧМ импульсам (например, отсчетов амплитудно-частотного спектра).
2
1
В результате демодуляции ЛЧМ импульса U(t) (выражение (3)) образуется цифровой аналог сжатого импульса, соответствующего по параметрам сжатому незадержанному импульсу U(t), но отличающийся временем образования (фиг.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 (фиг.2).
После определения интервалов Т2 и Т1 на основе частотных и временных измерений микро-ЭВМ производит расчет угла сдвига фаз
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 рассмотренными смешанным вариантом, когда положительные нуль-переходы происходят при разных сочетаниях нечетных и четных импульсов частоты 100 Гц, возможны несмешанные варианты. При этих вариантах информация о временных интервалах Т1 и Т2 выявляется либо только на основе частотных измерений разностных частот ( Ω1,  Ω2) для задержанных ЛЧМ импульсов, либо только на основе временных измерений появления сжатых незадержанных ЛЧМ импульсов.
В заключении заметим, что работа предлагаемого 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).
Сущность полезной модели заключается в использовании сложных сигналов, например, с время-частотной модуляцией, обладающих высокой разрешающей способностью, точностью временных измерений и эффективными методами обработки в условиях воздействия шумов и помех [Теоретические основы радиолокации. Под. Ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М: Советское радио, 1970].
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 [Теоретические основы радиолокации. Под. Ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М: Советское радио, 1970, стр.190] определяется выражением среднеквадратической ошибки (стандартного отклонения)
э
где q - отношение сигнал/шум; П - эффективная полоса сигнала.
τ
1
2
Введем отношение значений сигнал/шум q при заданной фиксированной точности σ измерения временных интервалов для различных импульсов: q - немодулированного, q - ЛЧМ линейно частотно модулированного импульса
0
Для простоты рассуждении считаем, что измерения временных интервалов производится на фоне "белого" шума с постоянной спектральной плотностью (N(f)=N=const), что физически оправданно [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М: Энергоатомиздат, 1982, глава 5].
и
Для немодулированных импульсов среднеквадратическая ошибка измерений временных интервалов определяется длительность импульса t [Теоретические основы радиолокации. Под. Ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М: Советское радио, 1970, стр.191]
При использовании сложных сигналов, например, импульса с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и прямоугольной огибающей, среднеквадратическая ошибка измерения временных интервалов составляет [Теоретические основы радиолокации. Под. Ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для ВУЗов. - М: Советское радио, 1970, стр.191]
э2
к
н
где П=f-f - ширина спектра, (девиация частоты) ЛЧМ импульса с прямоугольной огибающей.
Таким образом, выражение (6) приобретает вид
τ
τ1
τ2
При фиксированном σ=σ=σ имеем
где В - база сигнала.
э2
к
н
6
В трактах высокочастотной обработки ЛЭП возможна передача сигналов в пределах полосы П=f-f=10 Гц=1 МГц [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М: Энергоатомиздат, 1982].
-2
Исходя из принципов работы предлагаемого устройства длительность ЛЧМ импульса не может быть меньше tи=10 с=10 мс, следовательно база сигнала В может достигать значений
а значение коэффициента соответственно
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
и
где Э - энергия импульса, в рассматриваемом устройстве может быть обеспечена точность одинаковая с прототипом при передаче сигнала с меньшей амплитудой в 100 раз. Или наоборот при одинаковой амплитуде соответственно более высокая точность измерений в условиях шумов и помех.