Способ дифференциально-фазной защиты линии электропередачи

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к способам 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.

Задачей изобретения является повышение точности и помехоустойчивости измерений.

Указанная задача решается способом дифференциально-фазной защиты линии электропередачи, основанным на измерении интервала времени между ближайшими положительными нуль-переходами напряжений в разных концах линии и формировании сигнала управления органами релейной защиты путем сравнения этого интервала с заданным значением, при этом в контролируемых концах линии вначале осуществляют прием сигналов точного времени, синтезируют последовательности импульсов с параметрами, определяемыми сигналом точного времени, фиксируют интервалы времени между импульсом синтезируемого сигнала и положительными нуль-переходами напряжений в контролируемых концах линии, вычитают значения углов сдвигов фаз, а результат вычитания используют в случае превышения для формирования сигнала управления. Новым в способе является то, что последовательность импульсов синтезируют с частотой 100 Гц, формируют и направляют в линию связи широкополосные импульсные сигналы, в параметрах которых кодируют интервалы времени между нечетными импульсами синтезированного сигнала и положительными нуль-переходами напряжений в контролируемых концах линии, принимают и подвергают широкополосные импульсные сигналы цифровой время-частотной обработке для получения сдвигов фаз.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема устройства, реализующего способ дифференциально-фазной защиты линии электропередачи. На фиг.2 - временная диаграмма работы устройства при разных сочетаниях нечетных и четных импульсов частоты 100 Гц. На фиг.3 - диаграмма работы устройства на основе частотных измерений. На фиг.4 - диаграмма работы устройства на основе временных измерений появления сжатых незадержанных ЛЧМ импульсов.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, 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 цифроаналоговые преобразователи 12 и 13 и усилители 14 и 15 с передатчиком 6. В качестве устройства, производящего вычисления и формирование управляющих команд, используется микроЭВМ 16, связанная со вторым приемником через блок аналого-цифрового преобразователя 17.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, 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 кодов 5, 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 реализации предлагаемого способа 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 цифроаналоговый 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

где t_к-t_н=Т=20 мс - период колебаний напряжения сети;

U_m - амплитуда ЛЧМ импульса;

ω_н=2π·f_н - 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

Окончание формирования задержанного ЛЧМ импульса U₃(t) соответствует окончанию формирования ЛЧМ импульса U₁(t), т.е. моменту времени t_к. Таким образом, для рассматриваемого случая передатчиком полукомплекта производится излучение незадержанного U₁(t) и задержанного U₃(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 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

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 микроЭВМ 16. В микроЭВМ 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 микроЭВМ 16 сравнивается с заданным значением блока задания кодов 7, 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 U₁(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.

В силу идентичности характеристик задержанного и незадержанного ЛЧМ импульсов (фиг.2) после демодуляции задержанного U₃(t) ЛЧМ импульсов образуется цифровой аналог низкочастотной составляющей напряжения

где Ω=2π·f=β·T₂ - разность частоты (фиг.2);

Ψ(T₂)=(ω_н·T₂-β·t²/2) - набег фазы.

Из приведенного выражения (4) следует, что разностная частота Ω=β·T₂ 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_н(t). Разностная частота Ω определяется соотношением отсчетов ДПФ (БПФ), соответствующих задержанному и незадержанному ЛЧМ импульсам (например, отсчетов амплитудно-частотного спектра).

В результате демодуляции ЛЧМ импульса U₂(t) (выражение (3)) образуется цифровой аналог сжатого импульса, соответствующего по параметрам сжатому незадержанному импульсу U₁(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 микроЭВМ 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 (фиг.3), либо только на основе временных измерений появления сжатых незадержанных ЛЧМ импульсов (фиг.4).

В заключение 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 изобретения 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)

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

Введем отношение значений сигнал/шум q при заданной фиксированной точности σ_τ измерения временных интервалов для различных импульсов: q₁ - немодулированного, q₂ - ЛЧМ линейно-частотно-модулированного импульса

Для простоты рассуждений считаем, что измерения временных интервалов производится на фоне "белого" шума с постоянной спектральной плотностью (N(f)=N₀-const), что физически оправдано [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоатомиздат, 1982, глава 5].

Для немодулированных импульсов среднеквадратическая ошибка измерений временных интервалов определяется длительность импульса t_и [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]

где П_э2=f_к-f_н - ширина спектра (девиация частоты) ЛЧМ импульса с прямоугольной огибающей.

Таким образом, выражение (6) приобретает вид

При фиксированном σ_τ=σ_τ1=σ_τ2 имеем

где В - база сигнала.

В трактах высокочастотной обработки ЛЭП возможна передача сигналов в пределах полосы П_э2=f_k-f_н=10⁶ Гц=1 МГц [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоатомиздат, 1982].

Исходя из принципов работы предлагаемого устройства длительность ЛЧМ импульса не может быть меньше t_u=10^-2 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

где Э_u - 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.

Способ дифференциально-фазной защиты линии электропередачи, основанный на измерении интервала времени между ближайшими положительными нуль-переходами напряжений в разных концах линии и формировании сигнала управления органами релейной защиты путем сравнения этого интервала с заданным значением, при этом в контролируемых концах линии вначале осуществляют прием сигналов точного времени, синтезируют последовательности импульсов с параметрами, определяемыми сигналом точного времени, фиксируют интервалы времени между импульсом синтезируемого сигнала и положительными нуль-переходами напряжений в контролируемых концах линии, вычитают значения углов сдвигов фаз, а результат вычитания используют в случае превышения для формирования сигнала управления, отличающийся тем, что последовательность импульсов синтезируют с частотой 100 Гц, формируют и направляют в линию связи широкополосные импульсные сигналы, в параметрах которых кодируют интервалы времени между нечетными импульсами синтезированного сигнала и положительными нуль-переходами напряжений в контролируемых концах линии, принимают и подвергают широкополосные импульсные сигналы цифровой время-частотной обработке для получения сдвигов фаз.