RU2220468C1

RU2220468C1 - Phase-difference relay

Info

Publication number: RU2220468C1
Application number: RU2002116149/09A
Authority: RU
Inventors: В.В. Березов
Original assignee: Березов Владимир Владимирович
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2003-12-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; relays for adjusting generator input voltage to supply mains voltage. SUBSTANCE: relay that functions to produce error signal indicating difference in generator and supply mains phases as well as signal showing rate of change of phase difference has five comparators, pulse counter, two final elements, three AND gates, two adders, two subtraction units, short-pulse shaper, monostable multivibrator, delay circuit, OR gate, two nonrecursive filters, two bidirectional clippers, and clock generator. EFFECT: enlarged functional capabilities; enhanced noise immunity under abnormal noise and distortion conditions. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты в качестве реле разности фаз сети и генератора. The invention relates to electrical engineering and can be used in relay protection devices as a relay of the phase difference of the network and the generator.

Известно устройство, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик, дешифратор, формирователь импульсов и исполнительный элемент, выполненный в виде транзистора [1]. A device is known that contains a series-connected clock generator, a binary counter, a decoder, a pulse shaper and an actuator made in the form of a transistor [1].

Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве реле разности фаз. The disadvantage of this device is the relatively narrow functionality that does not allow its use as a phase difference relay.

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 катодом второго диодов, первый и второй операционные усилители, являющиеся, соответственно, повторителем и компаратором, 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 [2]. The closest in technical essence to the proposed one is a device containing the first and second rectifier blocks made in the form of diodes, the cathode and anode of which are, respectively, the generator voltage terminal and the mains voltage terminal, the adder, the first and second inputs of which are connected, respectively, with the anode of the first and the cathode of the second diode, the first and second operational amplifiers, which are, respectively, the repeater and comparator, the inputs of which are connected to the output of the adder, the third and fourth diodes, the anode which are connected to the outputs of the first and second operational amplifiers, respectively, a multiplier whose inputs are connected to the cathodes of the third and fourth diodes, a first and second inverters whose inputs are connected respectively to the cathodes of the third and fourth diodes [2].

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. Кроме того, известное устройство обладает относительно низкой помехоустойчивостью в условиях аномальных искажений и помех. The disadvantage of the closest technical solution is the relatively narrow functionality, because it generates a signal of approximate equality of the amplitude of the voltage of the network and the generator, which indicates the time interval of a possible adjustment of the phase of the generator to the phase of the network, but does not produce a signal of permissible (or unacceptable) mismatch between the phases of the generator and the network in the range of possible adjustment. In addition, the known device has a relatively low noise immunity in conditions of abnormal distortion and interference.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение помехоустойчивости. The technical result of the invention is the expansion of functionality and increased noise immunity.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее первый сумматор и первый компаратор, введены 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 двустороннего 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. This technical result is achieved by the fact that in the device containing the first adder and the first comparator, a second comparator is introduced, the input of which is an input for connecting the mains voltage, the first element And, the first and second inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first comparator, whose input is the input for connecting the voltage of the external generator, and the second comparator, the clock generator, the second element And, the first input of which is connected to the output of the clock generator, impulse counter x, the counting input of which is connected to the output of the second AND element, the first subtraction block is connected in series, the first input of which is connected to the output of the pulse counter, and the first two-way limiter, the output of which is connected to the first input of the first adder, the first non-recursive filter is connected in series, the information input of which connected to the output of the first adder, and the output is connected to the second inputs of the first adder and the first subtraction unit, the third comparator and the first actuator, subsequently the second subtraction unit, the first input of which is connected to the output of the first two-way limiter, the second two-way limiter, the second adder connected by the first input to the output of the two-sided limiter, and the second non-recursive filter, the output of which is connected to the second inputs of the second subtraction unit and the second adder, are fourth and fifth comparators, the inputs of which are connected to the output of the second non-recursive filter, the third element And connected in series, the first, second and third inputs of which connected to the outputs of the third, fourth and fifth comparators, respectively, and the second actuator, connected in series to the shorter pulse on the trailing edge, the input of which is connected to the output of the first element And the second input of the second element And, and the output is connected to the control inputs of the first and of the second non-recursive filters, a delay element, and an OR element, the output of which is connected to the input of the zero pulse counter, and also a one-shot, the output of which is connected to the second input of the element OR, the start input of the clock generator and the inputs of setting the first and second non-recursive filters to zero.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема реле разности фаз, на фиг. 2 - первого и второго нерекурсивных фильтров, на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие их работу. Fig. 1 is an electrical block diagram of a phase difference relay; 2 - the first and second non-recursive filters, figure 3 - timing diagrams explaining their operation.

Реле разности фаз (фиг.1) содержит первый компаратор 1, вход которого является входом напряжения внешнего генератора, второй компаратор 2, вход которого является входом напряжения сети, первый элемент И 3, первый и второй входы которого соединены с выходами первого 1 и второго 2 компараторов, генератор 4 тактовых импульсов, второй элемент И 5, первый вход которого соединен с выходом генератора 4 тактовых импульсов, счетчик 6 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И 5, последовательно соединенные первый блок 7 вычитания, первый вход которого соединен с выходом счетчика 6 импульсов, первый двухсторонний ограничитель 8, первый сумматор 9, первый нерекурсивный фильтр 10, выход которого соединен со вторыми входами первого сумматора 9 и первого блока 7 вычитания, третий компаратор 11 и первый исполнительный элемент 12, последовательно соединенные второй блок 13 вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого двухстороннего ограничителя 8, второй двухсторонний ограничитель 14, второй сумматор 15 и второй нерекурсивный фильтр 16, выход которого соединен со вторыми входами второго блока 13 вычитания и второго сумматора 15, четвертый 17 и пятый 18 компараторы, входы которых соединены с выходом второго нерекурсивного фильтра 16, последовательно соединенные третий элемент И 19, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего 11, четвертого 17 и пятого 18 компараторов, соответственно, и второй исполнительный элемент 20, последовательно соединенные формирователь 21 короткого импульса по заднему фронту, вход которого соединен с выходом первого элемента И 3 и со вторым входом второго элемента И 5, а выход соединен с управляющими входами первого 10 и второго 16 нерекурсивных фильтров, элемент задержки 22, и элемент ИЛИ 23, выход которого соединен с входом установки в ноль счетчика 6 импульсов, и также одновибратор 24, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ 23, входом запуска генератора 4 тактовых импульсов и входами установки в ноль первого 10 и второго 16 нерекурсивных фильтров. The phase difference relay (Fig. 1) contains a first comparator 1, the input of which is the voltage input of an external generator, a second comparator 2, whose input is the voltage input of the network, the first element And 3, the first and second inputs of which are connected to the outputs of the first 1 and second 2 comparators, a clock generator 4, a second AND 5 element, the first input of which is connected to the output of a 4 clock pulses generator, a 6 pulse counter, a counting input of which is connected to the output of a second And 5 element, the first block 7 is connected in series ia, the first input of which is connected to the output of the pulse counter 6, the first two-way limiter 8, the first adder 9, the first non-recursive filter 10, the output of which is connected to the second inputs of the first adder 9 and the first subtraction unit 7, the third comparator 11 and the first actuator 12, connected in series to the second subtraction unit 13, the first input of which is connected to the output of the first two-way limiter 8, the second two-way limiter 14, the second adder 15 and the second non-recursive filter 16, the output of which is connected to the second inputs of the second subtraction unit 13 and the second adder 15, the fourth 17 and fifth 18 comparators, the inputs of which are connected to the output of the second non-recursive filter 16, the third element And 19 connected in series, the first, second and third inputs of which are connected to the outputs of the third 11, fourth 17 and the fifth 18 comparators, respectively, and the second actuator 20 connected in series to the short-pulse former 21 on a trailing edge, the input of which is connected to the output of the first element And 3 and to the second input of the second ment 5, and the output is connected to the control inputs of the first 10 and second 16 non-recursive filters, a delay element 22, and an OR element 23, the output of which is connected to the zero input of the pulse counter 6, and also a single-shot 24, the output of which is connected to the second input element OR 23, the start input of the generator 4 clock pulses and the installation inputs to zero the first 10 and second 16 non-recursive filters.

Первый 10 и второй 16 нерекурсивные фильтры (фиг.2) содержат регистр 25 сдвига (с последовательно соединенными информационными ячейками 25-1...25-к), информационный вход, вход установки в ноль и управляющий вход которого являются, соответственно, информационным входом, входом установки в ноль и управляющим (тактовым) входом нерекурсивного фильтра, выходы информационных ячеек 25-1. ..25-к которого через соответствующие им умножители 26-1...26-к группы умножителей 26 на величину, обратно пропорциональную числу ячеек (выходов) регистра сдвига 25 (1/к), соединены с входами сумматора 27, выход которого является выходом нерекурсивного фильтра. The first 10 and second 16 non-recursive filters (FIG. 2) contain a shift register 25 (with information cells 25-1 ... 25-k connected in series), the information input, the zero input and the control input of which are, respectively, the information input , the installation input to zero and the control (clock) input of the non-recursive filter, the outputs of information cells 25-1. ..25-to which through the corresponding multipliers 26-1 ... 26-to the group of multipliers 26 by an amount inversely proportional to the number of cells (outputs) of the shift register 25 (1 / k), connected to the inputs of the adder 27, the output of which is non-recursive filter output.

Формирователь 21 вырабатывает короткий импульс в конце каждого перепада сигнала на выходе первого элемента И 3 с уровня логической единицы на уровень логического нуля. Элемент задержки 22 рассчитан на время срабатывания цепей управления записью первого 10 и второго 16 нерекурсивных фильтров. Первый 12 и второй 20 исполнительные элементы могут быть выполнены в виде обмотки реле с соответствующими контактами, зажимы которой непосредственно или через усилитель соединены с выходами третьего 11 компаратора и третьего элемента И 19, соответственно. Остальные блоки устройства являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания блоков и цепи тактирования цифровых элементов на чертеже опущены как несущественные:
На фиг.3, а представлены временные диаграммы сигналов на выходе первого компаратора 1 (Uc) (фиг.3, а) и на выходе второго компаратора 2 при совпадении фаз напряжений сети и генератора (Uг) (фиг.2, б), при отставании фазы напряжения генератора (фиг.2, в) и при опережении (фиг.2, г).Shaper 21 generates a short pulse at the end of each signal difference at the output of the first element And 3 from the level of the logical unit to the level of logical zero. The delay element 22 is designed for the response time of the recording control circuits of the first 10 and second 16 non-recursive filters. The first 12 and second 20 actuators can be made in the form of a relay coil with corresponding contacts, the clamps of which are directly or through an amplifier connected to the outputs of the third 11 comparator and the third element And 19, respectively. The remaining units of the device are standard units of electrical engineering. The power circuits of the blocks and the clock circuit of the digital elements in the drawing are omitted as irrelevant:
Figure 3, a shows the timing diagrams of the signals at the output of the first comparator 1 (Uc) (figure 3, a) and at the output of the second comparator 2 when the phases of the voltage of the network and the generator (Ug) coincide (figure 2, b), the lag of the phase voltage of the generator (figure 2, c) and ahead of (figure 2, g).

Работает реле разности фаз следующим образом. The phase difference relay operates as follows.

Сигналы напряжений внешнего генератора Uг и сети Uс поступают на входы, соответственно, первого 1 и второго 2 компараторов с нулевыми пороговыми уровнями. На выходе первого компаратора 1 сигнал логической единицы с длительностью половине периода формируется при положительной полуволне напряжения внешнего генератора, а на выходе второго компаратора 2 - при положительной полуволне напряжения сети. The voltage signals of the external generator Ug and network Us are supplied to the inputs, respectively, of the first 1 and second 2 comparators with zero threshold levels. At the output of the first comparator 1, a signal of a logical unit with a duration of half a period is formed with a positive half wave of the voltage of the external generator, and at the output of the second comparator 2 with a positive half wave of the network voltage.

При включении реле разности фаз напряжение питания подается на вход одновибратора 24, сигнал с выхода которого обнуляет счетчик 6 и первый 10, и второй 16 нерекурсивные фильтры и запускает генератор 4 тактовых импульсов. В случае, когда положительная полуволна напряжения сети совпадает с положительной полуволной напряжения внешнего генератора, на выходе первого элемента И 3 формируется уровень логической единицы, что позволяет пропускать через второй элемент И 5 импульсы генератора 4 на счетный вход счетчика 6 импульсов. В конце интервала совпадения положительных полуволн напряжений, когда срабатывает формирователь 21 и на его выходе формируется короткий импульс, содержимое счетчика 6, проходя через первый блок 7 вычитания, первый двухсторонний ограничитель 8 и первый сумматор 9, поступает на информационный вход первого нерекурсивного фильтра, поскольку на вторые входы первого блока 7 вычитания и первого сумматора 9 поступают одинаковые сигналы, а первый двухсторонний ограничитель 8 в номинальном режиме (без аномальных искажений и высокочастотных помех) не изменяет проходящий через него сигнал. После этого содержимое счетчика 6 обнуляется. Таким образом, в первом нерекурсивном фильтре 10 формируется усредненное (на фиксированном по длительности скользящем временном интервале) значение интервала, пропорциональное времени совпадения положительной полуволны (полупериода) напряжения внешнего генератора с положительной полуволной (полупериодом) напряжения сети. Когда фазы напряжений сети и внешнего генератора близки (фиг.2, а, б), то сигнал на выходе первого нерекурсивного фильтра 10 близок к длительности их полупериодов. В этом случае на выходе третьего компаратора 11 формируется уровень логической единицы, что приводит к срабатыванию первого исполнительного элемента 12. When you turn on the phase difference relay, the supply voltage is supplied to the input of the single-shot 24, the output signal of which resets the counter 6 and the first 10, and the second 16 non-recursive filters and starts the generator 4 clock pulses. In the case when the positive half-wave of the mains voltage coincides with the positive half-wave of the voltage of the external generator, the level of the logical unit is formed at the output of the first element And 3, which allows the pulses of the generator 4 to pass through the second element And 5 to the counting input of the counter 6 pulses. At the end of the interval of coincidence of positive half-waves of voltage, when the driver 21 is triggered and a short pulse is generated at its output, the contents of the counter 6, passing through the first subtraction unit 7, the first two-way limiter 8 and the first adder 9, are fed to the information input of the first non-recursive filter, since the second inputs of the first subtraction unit 7 and the first adder 9 receive the same signals, and the first two-way limiter 8 in the nominal mode (without anomalous distortions and high-frequency interference) It changes the signal passing through it. After that, the contents of counter 6 are reset. Thus, in the first non-recursive filter 10, an average value is generated (on a fixed time interval of a moving time) of the interval proportional to the time that the positive half-wave (half-period) of the voltage of the external generator coincides with the positive half-wave (half-period) of the mains voltage. When the phases of the voltage of the network and the external generator are close (Fig.2, a, b), the signal at the output of the first non-recursive filter 10 is close to the duration of their half-periods. In this case, at the output of the third comparator 11, a logical unit level is formed, which leads to the actuation of the first actuator 12.

Одновременно с этим сигнал с выхода первого двухстороннего ограничителя 8, который в номинальном режиме (без аномальных искажений и высокочастотных помех) равен сигналу с выхода первого блока 7 вычитания и пропорционален приращению (сдвигу) фаз напряжений сети и внешнего генератора за усредненный интервал совпадения их положительных полуволн за предыдущее время, поступает через второй блок 13 вычитания, второй двухсторонний ограничитель 14 и второй сумматор 15 во второй нерекурсивный фильтр 16, в котором формируется усредненное значение приращения фаз (скорости изменения разности фаз) напряжения сети и внешнего генератора на скользящем фиксированном интервале усреднения. Если скорость изменения фаз невелика, становится меньше некоторого положительного значения, при котором срабатывает четвертый компаратор 17, и становится больше некоторого отрицательного значения, при котором срабатывает пятый компаратор 18, то с их выходом на соответствующие входы третьего элемента И 19 поступают уровни логической единицы. Если при этом фазы напряжений сети и внешнего генератора также близки, то с выхода третьего компаратора 11 на третий вход третьего элемента И 19 также поступает уровень логической единицы, что приводит к срабатыванию второго исполнительного элемента 20. At the same time, the signal from the output of the first two-way limiter 8, which in nominal mode (without anomalous distortions and high-frequency interference) is equal to the signal from the output of the first subtraction unit 7 and is proportional to the increment (shift) of the phases of the voltage of the network and the external generator for the average interval of coincidence of their positive half-waves for the previous time, it enters through the second subtraction unit 13, the second two-way limiter 14 and the second adder 15 into the second non-recursive filter 16, in which an average value of pr phase rotation (rate of change of phase difference) of the mains voltage and the external oscillator on a moving fixed averaging interval. If the rate of change of the phases is small, it becomes less than a certain positive value at which the fourth comparator 17 is triggered, and becomes more than a certain negative value at which the fifth comparator 18 is triggered, then with their output to the corresponding inputs of the third element And 19 levels of the logical unit arrive. If the phases of the voltage of the network and the external generator are also close, then the output of the third comparator 11 to the third input of the third element And 19 also receives the level of the logical unit, which leads to the operation of the second actuator 20.

В случае действия аномальных искажений напряжений сети и внешнего генератора, а также в случае действия мощных высокочастотных помех первый 8 и второй 14 двусторонние ограничители устраняют их действие, что повышает помехоустойчивость реле разности фаз. In the case of anomalous distortion of the voltage of the network and the external generator, as well as in the case of powerful high-frequency interference, the first 8 and second 14 two-way limiters eliminate their effect, which increases the noise immunity of the phase difference relay.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку оно срабатывает не только при совпадении фаз сети и внешнего генератора, но и при малой скорости сдвига фаз, что позволяет проводить более точную настройку генератора при его подключении в сеть. Кроме того, устройство сглаживает действие не только низкочастотных помех за счет использования нерекурсивных фильтров, но и аномальных искажений и мощных высокочастотных помех за счет использования двухсторонних ограничителей. Thus, the proposed device has wider functional capabilities, since it works not only when the phases of the network and the external generator coincide, but also at a low phase shift speed, which allows for more accurate tuning of the generator when it is connected to the network. In addition, the device smooths out not only low-frequency interference due to the use of non-recursive filters, but also anomalous distortions and powerful high-frequency interference due to the use of two-way limiters.

Источники информации
1. 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.Sources of information
1. Electrotechnical directory, in 4 volumes, t. 2. Electrotechnical products and devices. Under the general editorship of V.G. Gerasimova et al. - Moscow: Publishing House MPEI, 1998, p. 390, Fig. 35.10.

2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с.355, рис.12.16. 2. Andreev V.A. Relay protection and automation of power supply systems. - M .: Higher school, 1991, p. 355, fig. 12.16.

Claims

A phase difference relay containing a first adder and a first comparator, characterized in that a second comparator is introduced, the input of which is an input for connecting the mains voltage, the first element And, the first and second inputs of which are connected respectively to the outputs of the first comparator, the input of which is an input for connecting voltage of the external generator, and the second comparator, the clock generator, the second element And, the first input of which is connected to the output of the clock generator, pulse counter, counting input It is connected to the output of the second element And, the first subtraction unit is connected in series, the first input of which is connected to the output of the pulse counter, and the first two-way limiter, the output of which is connected to the first input of the first adder, the first non-recursive filter is connected in series, the information input of which is connected to the output of the first adder, and the output is connected to the second inputs of the first adder and the first subtraction unit, the third comparator and the first actuator, connected in series the second subtraction unit, the first input of which is connected to the output of the first two-way limiter, the second two-way limiter, the second adder connected to the first input with the output of the two-way limiter, and the second non-recursive filter, the output of which is connected to the second inputs of the second subtraction unit and the second adder, the fourth and fifth comparators, the inputs of which are connected to the output of the second non-recursive filter, the third element And connected in series, the first, second and third inputs of which are connected to the outputs of of the third, fourth and fifth comparators, respectively, and the second actuator, connected in series to the short-pulse former on the trailing edge, the input of which is connected to the output of the first element And and the second input of the second element And, and the output is connected to the control inputs of the first and second non-recursive filters , a delay element and an OR element, the output of which is connected to the input of the zero pulse counter, and also a one-shot, the output of which is connected to the second input of the OR element, the trigger input the clock generator and the inputs of the zero to the first and second non-recursive filters, and power is supplied to the input of the one-shot.