RU2222089C1

RU2222089C1 - Differential-frequency relay

Info

Publication number: RU2222089C1
Application number: RU2002115446/09A
Authority: RU
Inventors: И.К. Пухов
Original assignee: Пухов Игорь Константинович
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: differential-frequency relay has input signal meter, multiplier, two comparators, two final elements, synchronized signal meter, algebraic adder, inverter, module separation unit, two AND gates, and two pulse shapers. Relay responds to relative frequency error in input and synchronized signals and is immune to short-time failure of generator frequency and high-frequency noise in its operation. EFFECT: enlarged functional capabilities and enhanced precision. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты в качестве реле разности частот сети и генератора. The invention relates to electrical engineering and can be used in relay protection devices as a relay of the frequency difference between 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 частот. The disadvantage of this device is the relatively narrow functionality that does not allow using it as a relay of the frequency difference.

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, алгебраический сумматор, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с анодом первого и с катодом второго диодов, первый и второй операционные усилители, являющиеся, соответственно, инвертором и компаратором, входы которых соединены с выходом алгебраического 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, и первый и второй исполнительные элементы, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго операционных усилителей [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 network voltage terminal, an algebraic 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, an inverter and a comparator, the inputs of which are connected to the output of the algebraic adder the third and fourth diodes, the anodes of which are connected to the outputs of the first and second operational amplifiers, respectively, a multiplier, the inputs of which are connected to the cathodes of the third and fourth diodes, the first and second inverters, the inputs of which are connected, respectively, to the cathodes of the third and fourth diodes, and the first and second actuators, the inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first and second operational amplifiers [2].

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно вырабатывает сигнал примерного равенства амплитуды напряжений сети и генератора, что указывает на временной интервал возможной подстройки частоты генератора к частоте сети, но не вырабатывает сигналов недопустимого рассогласования частот входного и синхронизируемого сигналов при заданной относительной допустимой величине их рассогласования. Кроме того, известное техническое решение обладает относительно низкой точностью в условиях кратковременных сбоев частоты генератора или высокочастотных помех. The disadvantage of the closest technical solution is the relatively narrow functionality, since it generates a signal of approximate equality of the voltage amplitude of the network and the generator, which indicates the time interval of a possible adjustment of the generator frequency to the network frequency, but does not produce signals of unacceptable frequency mismatch between the input and synchronized signals for a given relative the permissible value of their mismatch. In addition, the known technical solution has relatively low accuracy in the conditions of short-term malfunctions of the generator frequency or high-frequency interference.

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

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, введены измеритель частоты входного сигнала, выход которого соединен с входом умножителя и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты синхронизируемого сигнала, выход которого соединен с входом вычитания алгебраического сумматора, а также второй компаратор, первый вход которого соединен с первым входом первого компаратора и с выходом алгебраического сумматора, второй вход второго компаратора соединен с выходом инвертора, вход которого соединен со вторым входом первого компаратора и с выходом умножителя на постоянный коэффициент, первый и второй управляемые формирователи импульсов, блок выделения модуля и первый и второй элементы И, при этом, вход запуска первого формирователя импульсов соединен с выходом "больше" первого компаратора и с прямым входом первого элемента И, инверсный вход которого соединен с выходом первого управляемого формирователя импульсов, а выход соединен с входом первого исполнительного элемента, вход запуска второго управляемого формирователя импульсов соединен с выходом "меньше" второго компаратора и с прямым входом второго элемента И, инверсный вход которого соединен с выходом второго управляемого формирователя импульсов, а выход соединен с входом второго исполнительного элемента, вход блока выделения модуля соединен с выходом алгебраического сумматора, а выход - с управляющими входами первого и второго управляемых формирователей импульса, измерители частоты входного и синхронизируемого сигналов обеспечивают преобразования соответствующих входных сигналов f₀ и f₁ в соответствии с математическими выражениями U₀= 1/f₀, U₁= 1/f₁, где f₀, f₁ - частоты сигналов на входах измерителей частоты входного и синхронизируемого сигналов, соответственно; U₀, U₁ - сигналы на выходах измерителей частоты входного и синхронизируемого сигналов, соответственно.This technical result is achieved in that in a device containing an algebraic adder, a constant factor multiplier, an inverter, a first comparator and first and second actuators, an input signal frequency meter is introduced, the output of which is connected to the input of the multiplier and to the addition input of the algebraic adder, the meter the frequency of the synchronized signal, the output of which is connected to the subtraction input of the algebraic adder, as well as the second comparator, the first input of which is connected to the first input of the first about the comparator and with the output of the algebraic adder, the second input of the second comparator is connected to the output of the inverter, the input of which is connected to the second input of the first comparator and with the output of the multiplier by a constant coefficient, the first and second controlled pulse shapers, the module selection unit and the first and second elements And, at the same time, the start input of the first pulse shaper is connected to the output "larger" of the first comparator and to the direct input of the first element And, the inverse input of which is connected to the output of the first controlled form pulse generator, and the output is connected to the input of the first actuating element, the start input of the second controlled pulse shaper is connected to the output "less" of the second comparator and to the direct input of the second element And, the inverse input of which is connected to the output of the second controlled pulse shaper, and the output is connected to the input of the second actuator, the input of the module selection block is connected to the output of the algebraic adder, and the output to the control inputs of the first and second controlled pulse formers, Ithel frequency input and synchronizes signals provide transform the respective input signals f ₀ and f ₁ in accordance with mathematical expressions U ₀ = 1 / f _0, U ₁ = 1 / f _1, where f _0, f ₁ - frequency signals on the frequency meter inputs input and synchronized signals, respectively; U ₀ , U ₁ - signals at the outputs of the frequency meters of the input and synchronized signals, respectively.

Кроме того, управляемый формирователь импульса выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, вход которого является управляющим входом управляемого формирователя импульса, и дешифратора, выходы которого соединены с первыми входами соответствующих элементов И из группы элементов, выходы которых соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого является выходом управляемого формирователя импульса, а также группу формирователей импульсов, входы запуска которых объединены и образуют вход запуска управляемого формирователя импульса, а выходы формирователей импульсов группы соединены со вторыми входами соответствующих элементов И из группы элементов. In addition, the controlled pulse shaper is made in the form of a series-connected analog-to-digital converter, the input of which is the control input of the controlled pulse shaper, and a decoder whose outputs are connected to the first inputs of the corresponding elements AND from the group of elements whose outputs are connected to the corresponding inputs of the OR element, the output of which is the output of a controlled pulse shaper, as well as a group of pulse shapers, the trigger inputs of which are combined and form OD run managed pulse shaper, and the output of the pulse group are connected to second inputs of respective AND elements from the group elements.

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема реле разности частот, на фиг. 2 - формирователя импульсов, на фиг. 3 - измерителя частоты. In FIG. 1 is an electrical block diagram of a frequency difference relay; FIG. 2 - pulse shaper, in FIG. 3 - frequency meter.

Реле разности частот (фиг. 1) содержит последовательно соединенные измеритель 1 частоты входного сигнала, умножитель 2 и первый компаратор 3, кроме того, первый исполнительный элемент 4, измеритель 5 синхронизируемого сигнала, выход которого соединен со входом вычитания и алгебраического сумматора 6, вход сложения которого соединен с выходом измерителя 1 частоты входного сигнала, а также последовательно соединенные инвертор 7, вход которого соединен с выходом умножителя 2 и с входом первого компаратора 3, и второй компаратор 8, другой вход которого соединен с выходом алгебраического сумматора 6 и с другим входом первого компаратора 3, второй исполнительный элемент 9, первый 10 и второй 11 управляемые формирователи импульсов и первый 12 и второй 13 элементы И, а также блок 14 выделения модуля, при этом, вход запуска первого управляемого формирователя импульсов 10 соединен с выходом первого компаратора 3 и с прямым входом первого элемента И 12, инверсный вход которого соединен с выходом первого управляемого формирователя импульсов 10, а выход соединен с входом первого исполнительного элемента 4, вход запуска второго управляемого формирователя импульсов 11 соединен с выходом второго компаратора 8 и с прямым входом второго элемента И 13, инверсный вход которого соединен с выходом второго управляемого формирователя импульсов 11, а выход соединен с входом второго исполнительного элемента 9, вход блока 14 выделения модуля соединен с выходом алгебраического сумматора 6, а выход соединен с управляющими входами первого 10 и второго 11 управляемых формирователей импульса. The relay of the frequency difference (Fig. 1) contains series-connected meter 1 of the input signal frequency, multiplier 2 and the first comparator 3, in addition, the first actuator 4, meter 5 of the synchronized signal, the output of which is connected to the subtraction input and algebraic adder 6, the addition input which is connected to the output of the frequency meter 1 of the input signal, as well as a series-connected inverter 7, the input of which is connected to the output of the multiplier 2 and the input of the first comparator 3, and the second comparator 8, the other input of which horn is connected to the output of the algebraic adder 6 and to another input of the first comparator 3, the second actuator 9, the first 10 and second 11 controlled pulse shapers and the first 12 and second 13 elements And, as well as the module selection unit 14, while the input of the start of the first controlled pulse shaper 10 is connected to the output of the first comparator 3 and with a direct input of the first element And 12, the inverse input of which is connected to the output of the first controlled pulse shaper 10, and the output is connected to the input of the first actuating element nta 4, the start input of the second controlled pulse shaper 11 is connected to the output of the second comparator 8 and to the direct input of the second element And 13, the inverse input of which is connected to the output of the second controlled pulse shaper 11, and the output is connected to the input of the second actuator 9, input of block 14 the selection module is connected to the output of the algebraic adder 6, and the output is connected to the control inputs of the first 10 and second 11 controlled pulse shapers.

Первый 10 и второй 11 управляемые формирователи импульса (фиг. 2) выполнены в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя 15, вход которого является управляющим входом упомянутого управляемого формирователя, дешифратора 16, группы элементов И 17 и элементов ИЛИ 18, выход которого является выходом упомянутого формирователя, а также группы формирователей короткого импульса 20, вход которой является входом запуска упомянутого формирователя, а выходы соединены со входами соответствующих элементов И группы 17. Измерители 1 и 5 частоты (фиг. 3) могут быть выполнены в виде усилителя, в выходной цепи которого включен резонансный контур, настроенный таким образом, чтобы номинальные значения входных частот переходили на середину линейной части ветви (спада) его частотной характеристики. В этом случае выходное напряжение измерителя будет обратно пропорционально частоте его входного сигнала. Первый 4 и второй 5 исполнительные элементы могут быть выполнены в виде обмотки реле с соответствующими контактами, которая непосредственно или через усилитель соединена с выходом соответствующего алгебраического сумматора. Первый 10 и второй 11 управляемые формирователи формируют импульсы заданной длительности с уровнем логической единицы по фронту импульса с выхода соответствующего компаратора 3 или 8. Длительности импульса определяются уровнем сигнала, поступающего на их входы с выхода блока 14 выделения модуля. Остальные блоки являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания элементов на чертеже не показаны как несущественные в рамках данной заявки. The first 10 and second 11 controlled pulse shapers (Fig. 2) are made in the form of series-connected analog-to-digital converter 15, the input of which is the control input of the said controlled shaper, decoder 16, group of elements 17 and elements OR 18, the output of which is the output of the aforementioned the shaper, as well as the group of shapers of the short pulse 20, the input of which is the start input of the shaper, and the outputs are connected to the inputs of the corresponding elements And group 17. Meters 1 and 5 frequencies (Fig. 3) can be made in the form of an amplifier, in the output circuit of which a resonant circuit is included, configured so that the nominal values of the input frequencies go to the middle of the linear part of the branch (decay) of its frequency response. In this case, the output voltage of the meter will be inversely proportional to the frequency of its input signal. The first 4 and second 5 actuators can be made in the form of a relay coil with corresponding contacts, which is directly or through an amplifier connected to the output of the corresponding algebraic adder. The first 10 and second 11 controlled formers generate pulses of a given duration with a logic unit level along the pulse front from the output of the corresponding comparator 3 or 8. The pulse durations are determined by the level of the signal supplied to their inputs from the output of the module selection unit 14. The remaining blocks are the standard blocks of electrical engineering. The power circuits of the elements in the drawing are not shown as non-essential in the framework of this application.

Работает реле разности частот следующим образом. При включении реле на выходе измерителя 1 формируется сигнал U₀, величина которого обратно пропорциональна частоте входного сигнала U₀=1/f₀, а на выходе измерителя 5 (U₁) - частоте синхронизируемого сигнала U₁=1/f₁. В этом случае на выходе алгебраического сумматора 6 формируется относительная величина разности частот
U₀-U₁ = (f₁-f₀)/f₁•f₀≅(f₁-f₀)/f $\binom{2}{0}$ .
Кроме того, сигнал с выхода измерителя 1 умножается в умножителе 2 на малый коэффициент К, определяющий допустимое отклонение частоты синхронизируемого сигнала от входного. Поэтому в первом компараторе 3 сравниваются величины (f₁-f₀)/f₀ ² и К/f₀, а во втором компараторе 8 сравниваются величины (f₁-f₀)/f₀ ² и К/f₁, поскольку на его вход поступает инвертированное инвертором 7 значение сигнала с выхода умножителя 2.The relay operates as a difference of frequencies as follows. When the relay is turned on, the signal U ₀ is formed at the output of meter 1, the value of which is inversely proportional to the frequency of the input signal U ₀ = 1 / f ₀ , and at the output of meter 5 (U ₁ ), the frequency of the synchronized signal U ₁ = 1 / f ₁ . In this case, the relative magnitude of the frequency difference is formed at the output of the algebraic adder 6
U ₀ -U ₁ = (f ₁ -f ₀ ) / f ₁ • f ₀ ≅ (f ₁ -f ₀ ) / f $\binom{2}{0}$ .
In addition, the signal from the output of the meter 1 is multiplied in the multiplier 2 by a small coefficient K, which determines the permissible deviation of the frequency of the synchronized signal from the input. Therefore, in the first comparator 3, the values (f ₁ -f ₀ ) / f ₀ ² and K / f _{0 are} compared, and in the second comparator 8 the values (f ₁ -f ₀ ) / f ₀ ² and K / f _{1 are} compared, since its input receives the value of the signal inverted by inverter 7 from the output of multiplier 2.

При этом, при перепаде сигнала с уровня логического нуля на уровень логической единицы на выходах первого 3 и второго 8 компараторов соответствующие им первый 10 и второй 11 управляемые формирователи формируют импульсы с уровнем логической единицы и с длительностью, соответствующей допустимому временному интервалу, в пределах которого разрешается иметь рассогласование частот свыше допустимых пределов. Эти импульсы подаются на инверсные входы первого 12 и второго 13 элементов И, поэтому при срабатывании первого 3 или второго 8 компараторов уровни логической единицы поступят на входы соответствующих первого 4 или второго 9 исполнительных элементов через малую допустимую задержку, что исключает влияние кратковременных сбоев частоты генератора и высокочастотных помех на работу реле. At the same time, when the signal drops from a logical zero level to a logical unit level at the outputs of the first 3 and second 8 comparators, the corresponding first 10 and second 11 controlled shapers generate pulses with a logic unit level and with a duration corresponding to an allowable time interval within which it is allowed have a frequency mismatch above the allowable limits. These pulses are fed to the inverse inputs of the first 12 and second 13 elements And, therefore, when the first 3 or second 8 comparators are triggered, the levels of the logic unit will go to the inputs of the corresponding first 4 or second 9 actuators through a small allowable delay, which eliminates the effect of short-term generator frequency malfunctions and high-frequency interference to the operation of the relay.

Первый исполнительный элемент 4 срабатывает, когда частота входного сигнала f₀ будет меньше частоты синхронизируемого сигнала f₁ на относительную величину, задаваемую коэффициентом К, а второй исполнительный элемент 9 - когда частота входного сигнала будет больше ее.The first actuator 4 is triggered when the frequency of the input signal f ₀ is less than the frequency of the synchronized signal f ₁ by a relative value specified by the coefficient K, and the second actuator 9 when the frequency of the input signal is greater than it.

Для обеспечения регулирования длительности задержки при срабатывании реле разности частот в зависимости от величины относительного отклонения частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала первый 10 и второй 11 управляемые формирователи 5 имеют группу 20 формирователей короткого импульса с различными параметрами по длительности формируемого на их выходе импульса, появляющегося при перепаде напряжения на их входах запуска с уровня логического нуля на уровень логической единицы. На вход аналого-цифрового преобразователя 15 подается сигнал, пропорциональный абсолютному значению относительного отклонения частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала. В зависимости от величины абсолютного значения относительного отклонения дешифратор 7 сформирует уровень логической единицы на одной соответствующей этой амплитуде клемм. Этот уровень подается на соответствующий элемент И группы 17, поэтому на вход элемента ИЛИ 18, который является выходом формирователя 10 (11), будет проходить импульсный сигнал с уровнем логической единицы от того формирователя группы 20, который соответствует абсолютному значению относительного отклонения частоты. Это обеспечит задержку срабатывания реле разности часто в зависимости от абсолютного значения относительного отклонения частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала. Это повышает точность работы реле разности частот. To ensure control of the duration of the delay when the relay of the frequency difference is triggered, depending on the relative deviation of the frequency of the synchronized signal from the frequency of the input signal, the first 10 and second 11 controlled shapers 5 have a group of 20 shapers of a short pulse with different parameters for the duration of the pulse generated at their output, which appears when the voltage drop across their trigger inputs from a logic zero to a logic one. At the input of the analog-to-digital Converter 15, a signal is proportional to the absolute value of the relative deviation of the frequency of the synchronized signal from the frequency of the input signal. Depending on the magnitude of the absolute value of the relative deviation, the decoder 7 will form a level of a logical unit on one terminal corresponding to this amplitude. This level is supplied to the corresponding AND element of group 17, therefore, an impulse signal with a logic level from that former of group 20, which corresponds to the absolute value of the relative frequency deviation, will pass to the input of the OR element 18, which is the output of the former 10 (11). This will provide a delay in the operation of the difference relay, often depending on the absolute value of the relative deviation of the frequency of the synchronized signal from the frequency of the input signal. This improves the accuracy of the frequency difference relay.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку оно реагирует на недопустимое относительное рассогласование частот входного и синхронизируемого сигналов, а не только на абсолютные величины рассогласований, что необходимо для ряда технологических процессов. Кроме того, повышается точность работы реле, поскольку исключается влияние кратковременных сбоев частоты синхронизируемого сигнала, например частоты генератора, и высокочастотных помех на работу реле. Thus, the proposed device has wider functionality, since it responds to unacceptable relative mismatch of the frequencies of the input and synchronized signals, and not only to the absolute values of the mismatch, which is necessary for a number of technological processes. In addition, the accuracy of the relay increases, since the influence of short-term malfunctions of the frequency of the synchronized signal, such as the frequency of the generator, and high-frequency interference on the relay operation is eliminated.

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. Electrical reference book, in 4 volumes, t.2. Electrical products and devices. Under the general editorship of V.G. Gerasimov et al. M.: 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 (прототип). 2. Andreev V.A. Relay protection and automation of power supply systems. - M .: Higher school, 1991, p. 355, fig. 12.16 (prototype).

Claims

1. The frequency difference relay containing an algebraic adder, a constant factor multiplier, an inverter, a first comparator and first and second actuators, characterized in that a frequency meter of the input signal is introduced, the output of which is connected to the input of the multiplier and to the addition input of the algebraic adder, a meter the frequency of the synchronized signal, the output of which is combined with the subtraction input of the algebraic adder, as well as a second comparator, the first input of which is connected to the first input of the first comparator and with the output of the algebraic adder, the second input of the second comparator is connected to the output of the inverter, the input of which is connected to the second input of the first comparator and with the output of the multiplier by a constant coefficient, the first and second controlled pulse shapers, the module selection unit and the first and second elements And, while the input the start of the first pulse shaper is connected to the output "larger" of the first comparator and to the direct input of the first element And, the inverse input of which is connected to the output of the first controlled shaper pulse s, and the output of the first element And is connected to the input of the first actuating element, the start input of the second controlled pulse shaper is connected to the output "less" of the second comparator and to the direct input of the second element And, the inverse input of which is connected to the output of the second controlled pulse shaper, and the output of the second And element is connected to the input of the second actuating element, the input of the module selection block is connected to the output of the algebraic adder, and the output of the output module block is connected to the control inputs of the first and second th controllable pulse shaping, frequency meter input and synchronizes signals provide transform the respective input signals f ₀ and f ₁ in accordance with mathematical expressions U ₀ = 1 / f _0, U ₁ = 1 / f _1, where f _0, f ₁ frequency signals at the inputs of the frequency meters of the input and synchronized signals, respectively, U ₀ , U ₁ - signals at the outputs of the measuring frequency of the input and synchronized signals, respectively.

2. The relay according to claim 1, characterized in that the controlled pulse shaper is made in the form of a series-connected analog-to-digital converter, the input of which is the control input of the controlled pulse shaper, and a decoder whose outputs are connected to the first inputs of the corresponding elements And from the group of elements And the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the OR element, the output of which is the output of a controlled pulse shaper, as well as a group of pulse shapers, the trigger inputs of which combined and form the trigger input of the controlled pulse shaper, and the outputs of the pulse shapers of the pulse shaper group are connected to the second inputs of the corresponding elements And from the group of elements I.