RU226110U1

RU226110U1 - NEURAL NETWORK DETECTOR OF THE BEGINNING OF NONLINEAR DISTORTIONS OF THE ELECTRICAL SIGNAL

Info

Publication number: RU226110U1
Application number: RU2023134872U
Authority: RU
Inventors: Олег Николаевич Андреев; Александр Леонидович Славутский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АТЛАНТ"
Filing date: 2023-12-25
Publication date: 2024-05-21

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к релейной защите и противоаварийной автоматике и цифровой обработке сигнала. Устройство может быть использовано для определения момента времени нелинейного искажения электрического сигнала, с отстройкой от допустимого уровня искажения.The utility model relates to electrical engineering and power engineering, namely to relay protection and emergency automation and digital signal processing. The device can be used to determine the instant of nonlinear distortion of an electrical signal, with detuning from the permissible distortion level.

Цель предлагаемой полезной модели - определение наличия нелинейного искажения электрических сигналов тока и напряжения выше заданного уровня за минимально возможное время, равное периоду дискретизации сигнала, и возможность задания допустимого уровня искажения.The purpose of the proposed utility model is to determine the presence of nonlinear distortion of electrical current and voltage signals above a specified level in the minimum possible time equal to the signal sampling period, and the ability to set the permissible level of distortion.

Полезная модель представляет собой нейросетевой детектор начала нелинейных искажений электрического сигнала, содержащий аналоговый датчик, вход которого является входом устройства, аналого-цифровой преобразователь, который преобразует выходной сигнал аналогового датчика в цифровой и передает в блок хранения данных, задающего тактового генератора для подачи управляющего сигнала на аналого-цифровой преобразователь, блока хранения данных для хранения дискретизированых значений аналогового сигнала длительностью не менее одного периода основной частоты сигнала, процессора, который забирает необходимые данные из блока хранения данных, производит их обработку и передает на выход значение целевой логической функции, которая может принимать значение 0 (искажения нет) или 1 (искажение есть), блока преобразователя цифровых интерфейсов, выход которого является выходом устройства.

The utility model is a neural network detector of the onset of nonlinear distortions of an electrical signal, containing an analog sensor, the input of which is the input of the device, an analog-to-digital converter, which converts the output signal of the analog sensor into a digital one and transmits it to a data storage unit, setting a clock generator for supplying a control signal to an analog-to-digital converter, a data storage unit for storing sampled values of an analog signal lasting at least one period of the fundamental frequency of the signal, a processor that takes the necessary data from the data storage unit, processes it and transmits to the output the value of the target logical function, which can take a value 0 (no distortion) or 1 (distortion present), digital interface converter block, the output of which is the output of the device.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, электроэнергетике, а именно - к релейной защите и противоаварийной автоматике, и цифровой обработке сигналов. Устройство может быть использовано для определения момента начала искажения электрического сигнала.The utility model relates to electrical engineering, power engineering, namely to relay protection and emergency automation, and digital signal processing. The device can be used to determine when an electrical signal begins to become distorted.

Использование цифровых микропроцессорных устройств является перспективным направлением развития в электротехнике, радиотехнике и электроэнергетике. В частности, - в релейной защите электроэнергетических систем. Микропроцессорные устройства предоставляют широкие возможности применения современных алгоритмических решений, в том числе - для определения наличия искажений в электрическом сигнале тока и напряжения в переходных режимах в электрических цепях энергосистемы в режиме реального времени.The use of digital microprocessor devices is a promising direction of development in electrical engineering, radio engineering and power engineering. In particular, in relay protection of electrical power systems. Microprocessor devices provide ample opportunities for the use of modern algorithmic solutions, including for determining the presence of distortions in the electrical signal of current and voltage in transient modes in electrical circuits of the power system in real time.

Устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики предназначены, в первую очередь, для распознавания и предотвращения развития аварийных режимов энергосистемы. Помимо выполнения основных задач, микропроцессорные устройства могут определять место повреждения, вести регистрацию функционирования энергообъекта как в нормальном режиме, так и в аварийной ситуации, передавать данные о режимах работы системы по каналам связи, а также выполнять ряд других вспомогательных задач.Relay protection and emergency automation devices are designed, first of all, to recognize and prevent the development of emergency modes of the power system. In addition to performing basic tasks, microprocessor devices can determine the location of damage, record the functioning of a power facility both in normal mode and in an emergency, transmit data about the operating modes of the system via communication channels, and also perform a number of other auxiliary tasks.

Наиболее сложный режим работы устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики - это работа в аварийных режимах энергосистемы, так как именно в этих режимах активизируются алгоритмы работы по предотвращению развития аварийных процессов. При этом определение параметров работы энергосистемы и принятие решений в управлении объектами энергосистемы необходимо производить в режиме реального времени, чтобы предотвратить развитие аварийного процесса за минимальный промежуток времени и тем самым свести негативные последствия аварии к минимальным последствиям или исключить их. Аварийные режимы характеризуются наличием в электрической цепи энергосистемы нелинейных искажений.The most difficult mode of operation of relay protection and emergency automation devices is operation in emergency modes of the power system, since it is in these modes that the algorithms for preventing the development of emergency processes are activated. At the same time, determining the operating parameters of the power system and making decisions in the management of power system facilities must be done in real time in order to prevent the development of the emergency process in a minimum period of time and thereby reduce the negative consequences of the accident to minimal consequences or eliminate them. Emergency modes are characterized by the presence of nonlinear distortions in the electrical circuit of the power system.

Таким образом, задача быстрого и корректного определения наличия нелинейных искажений электрического сигнала является актуальной.Thus, the task of quickly and correctly determining the presence of nonlinear distortions in an electrical signal is relevant.

Известно устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала с повышенной помехоустойчивостью (патент RU 2477492 С2, G01R 23/20, опубл. 2013), содержащее входную и выходную клеммы для подключения объекта измерения, генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к входной клемме, к выходной клемме подключен блок выравнивания уровней сигнала, состоящий из последовательно соединенных аттенюатора и регулируемого измерительного усилителя, причем вход аттенюатора является входом блока выравнивания уровней сигналов, а выход регулируемого измерительного усилителя - его выходом, блок дифференцирования, содержащий два звена запаздывания, включающих в себя одновременно перестраиваемые конденсаторы, контрольно-измерительный блок, состоящий из осциллографа и измерительного блока, которые параллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока, а также идентичные первый и второй блоки индикации, состоящие из схемы сравнения, первый вход которой является входом блока индикации, генератора эталонного сигнала, соединенного со вторым входом схемы сравнения, индикатора, соединенного с выходом схемы сравнения, причем вход первого блока индикации соединен с выходом блока выравнивания уровней сигналов, а вход второго блока индикации соединен с выходом блока дифференцирования, отличающееся тем, что в блок дифференцирования введено дополнительное звено запаздывания, конденсатор которого перестраивается одновременно с другими конденсаторами блока.A device is known for measuring nonlinear distortions of an electrical signal with increased noise immunity (patent RU 2477492 C2, G01R 23/20, published 2013), containing input and output terminals for connecting the measurement object, a harmonic oscillation generator, the output of which is connected to the input terminal, to the output terminal The terminal is connected to a block for leveling signal levels, consisting of a series-connected attenuator and an adjustable measuring amplifier, wherein the input of the attenuator is the input of the block for leveling signal levels, and the output of the adjustable measuring amplifier is its output, a differentiation block containing two delay units, including simultaneously tunable capacitors , a control and measuring unit consisting of an oscilloscope and a measuring unit, which are connected in parallel to the input of the control and measuring unit, as well as identical first and second indication blocks, consisting of a comparison circuit, the first input of which is the input of the indication block, a reference signal generator connected with the second input of the comparison circuit, an indicator connected to the output of the comparison circuit, wherein the input of the first indication block is connected to the output of the signal level equalization block, and the input of the second indication block is connected to the output of the differentiation block, characterized in that an additional delay link is introduced into the differentiation block, the capacitor of which is rebuilt simultaneously with other capacitors of the block.

К недостаткам данного устройства можно отнести необходимость генерирования эталонного сигнала, что может приводить к снижению точности при отклонении основной частоты сигнала, а так же два звена запаздывания, которые вносят дополнительную задержку времени при фиксации наличия нелинейных искажений.The disadvantages of this device include the need to generate a reference signal, which can lead to a decrease in accuracy when the fundamental frequency of the signal deviates, as well as two delay units, which introduce an additional time delay when detecting the presence of nonlinear distortions.

Так же известно устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала (патент SU 1318926 A1, G01R 23/20, опубл. 1987), содержащее входную и выходную клеммы для подключения объекта измерения,- генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к входной клемме, а также блок дифференцирования и контрольно-измерительный блок, подключенный к выходу блока дифференцирования, состоящий из осциллографа и измерительного блока, которые параллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введен блок выравнивания уровней сигналов, вход которого подключен к выходной клемме, содержащий последовательно соединенный аттенюатор и регулируемый измерительный усилитель, причем входом блока выравнивания уровней сигналов является вход аттенюатора, а выходом -выход регулируемого измерительного усилителя, а также два идентичных блока индикации, состоящих из схемы сравнения, первый вход которой является входом блока индикаций, генератора эталонного сигнала соединенного со вторым входом схемы сравнения, и индикатора, соединенного с выходом схемы сравнения, причем выход объекта измерений через блок выравнивания уровней сигналов соединен с входом блока дифференцирования и входом первого блока индикации, а выход блока дифференцирования соединен с входом второго блока индикации, в блоке дифференцирования конденсаторы выполнены перестраиваемыми.A device for measuring nonlinear distortions of an electrical signal is also known (patent SU 1318926 A1, G01R 23/20, publ. 1987), containing input and output terminals for connecting the measurement object, a harmonic oscillation generator, the output of which is connected to the input terminal, and also a differentiation block and a control and measuring block connected to the output of the differentiation block, consisting of an oscilloscope and a measuring block, which are connected in parallel to the input of the control and measuring block, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy, a signal level equalization block is additionally introduced into it , the input of which is connected to the output terminal, containing a series-connected attenuator and an adjustable measuring amplifier, wherein the input of the signal level equalization block is the input of the attenuator, and the output is the output of the adjustable measuring amplifier, as well as two identical display blocks consisting of a comparison circuit, the first input of which is the input of the indication block, the reference signal generator connected to the second input of the comparison circuit, and the indicator connected to the output of the comparison circuit, and the output of the measurement object through the signal level equalization block is connected to the input of the differentiation block and the input of the first indication block, and the output of the differentiation block is connected to input of the second indication block; in the differentiation block, the capacitors are tunable.

Недостатком данного устройства является низкая помехозащищенность результатов измерений, обусловленная широким частотным диапазоном относительного усиления помех в продифференцированном сигнале, а так же временная задержка в измерительном блоке длительностью до периода сигнала.The disadvantage of this device is the low noise immunity of measurement results, due to a wide frequency range of relative noise amplification in a differentiated signal, as well as a time delay in the measuring unit lasting up to the signal period.

Задачей предлагаемой полезной модели является определение наличия нелинейного искажения электрических сигналов тока и напряжения выше заданного уровня за минимально возможное время, равное периоду дискретизации сигнала и возможность задания допустимого уровня искажения.The objective of the proposed utility model is to determine the presence of nonlinear distortion of electrical current and voltage signals above a specified level in the minimum possible time equal to the signal sampling period and the ability to set the permissible level of distortion.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в возможности задания допустимого уровня нелинейных искажений и увеличении точности определения момента времени начала нелинейных искажений электрических сигналов тока и напряжения, искаженных в результате воздействия помех различного характера. Технический результат достигается путем использования искусственной нейронной сети прямого распространения - элементарного персептрона.The technical result of the proposed utility model is the ability to set the permissible level of nonlinear distortions and increase the accuracy of determining the time of the onset of nonlinear distortions of electrical current and voltage signals, distorted as a result of interference of various types. The technical result is achieved by using an artificial feed-forward neural network - an elementary perceptron.

На фиг. 1 изображена структурная схема нейросетевого детектора начала нелинейных искажений электрического сигнала.In fig. Figure 1 shows a block diagram of a neural network detector for the onset of nonlinear distortions of an electrical signal.

Нейросетевой детектор начала нелинейных искажений электрического сигнала состоит из последовательно соединенных аналогового датчика 1, вход которого является входом устройства, аналого-цифрового преобразователя 2, блока хранения данных 3, процессора обработки цифрового сигнала 4, задающего тактового генератора 5, преобразователя интерфейсов 6, цифровой выход которого является выходом устройства.The neural network detector of the onset of nonlinear distortions of the electrical signal consists of a series-connected analog sensor 1, the input of which is the input of the device, an analog-to-digital converter 2, a data storage unit 3, a digital signal processor 4, a master clock generator 5, an interface converter 6, the digital output of which is the output of the device.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

На вход устройства поступает электрический сигнал, амплитуда которого масштабируется аналоговым датчиком 1 к верхней границе диапазона аналого-цифрового преобразователя 2. Сигнал с выхода аналогового датчика 1 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 2, который работает на избыточной частоте дискретизации. Команду захвата значений и запуск преобразования на аналого-цифровой преобразователь 2 подает задающий тактовый генератор 5. Настройку работы задающего тактового генератора 5 осуществляет процессор 4. Оцифрованный сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 записывается в блок хранения данных 3, организованный по принципу «первым пришел - первым вышел». Накопленные данные извлекаются процессором 4, который производит предварительную обработку полученных выборок оцифрованного сигнала и его дальнейшую обработку с помощью нейронной сети прямого распространения. Предварительная обработка значений оцифрованного сигнала позволяет устранять возможные импульсные помехи, в результате чего достигается помехоустойчивость к кратковременно действующим помехам.The device input receives an electrical signal, the amplitude of which is scaled by analog sensor 1 to the upper limit of the range of analog-to-digital converter 2. The signal from the output of analog sensor 1 is fed to the input of analog-to-digital converter 2, which operates at an excess sampling frequency. The command to capture values and start the conversion to the analog-to-digital converter 2 is supplied by the master clock generator 5. The operation of the master clock generator 5 is configured by the processor 4. The digitized signal from the output of the analog-to-digital converter 2 is recorded in the data storage unit 3, organized on a “first come first” basis. - came out first.” The accumulated data is extracted by processor 4, which preprocesses the received samples of the digitized signal and further processes it using a feed-forward neural network. Pre-processing of the digitized signal values makes it possible to eliminate possible impulse noise, resulting in noise immunity to short-term interference.

Нейронная сеть предварительно обучается с использованием значительного количества обучающих и тестовых сигналов, моделируемых во всем диапазоне возможных значений параметров контролируемого электрического сигнала. В обучающей выборке могут содержаться сигналы с незначительными нелинейными искажениями, которые не приведут к неисправности оборудования или его к некорректной работе. Такие сигналы помечаются как сигналы без искажения. Обученная нейронная сеть на каждом интервале сдвига временного окна определяет наличие искажения в сигнале, как только сигнал начинает искажаться выше заданного уровня, нейронная сеть сразу выдает сигнал о наличие искажения. Временное окно подбирается таким образом, чтобы исключить многократное изменение значения на выходе нейронной сети за период времени равный периоду сигнала основной частоты.The neural network is pre-trained using a significant number of training and test signals, modeled over the entire range of possible values of the parameters of the controlled electrical signal. The training sample may contain signals with minor nonlinear distortions that will not lead to equipment malfunction or incorrect operation. Such signals are marked as undistorted signals. The trained neural network determines the presence of distortion in the signal at each time window shift interval; as soon as the signal begins to distort above a given level, the neural network immediately issues a signal about the presence of distortion. The time window is selected in such a way as to exclude multiple changes in the value at the output of the neural network over a period of time equal to the period of the fundamental frequency signal.

На фиг. 2 представлена структура искусственной нейронной сети для выделения параметров сигнала в реальном времени. Данная нейронная сеть состоит из трех слоев - входного, скрытого и выходного. Во входной слой нейронной сети подаются последовательные дискретные отсчеты сигнала в режиме «скользящего окна». Количество нейронов во входном слое равно количеству временных отсчетов выборки аналогового сигнала, которые соответствуют временному окну. Количество нейронов в скрытом слое подбирается эмпирическим путем. В выходном слое содержится значение целевой функции R, которая может принимать логическое значение О (искажения нет) или 1 (искажение есть). Выходные данные нейросети процессор передает на вход преобразователя интерфейсов 6 для дальнейшей передачи по цифровому каналу связи.In fig. Figure 2 shows the structure of an artificial neural network for extracting signal parameters in real time. This neural network consists of three layers - input, hidden and output. Consecutive discrete signal samples are supplied to the input layer of the neural network in the “sliding window” mode. The number of neurons in the input layer is equal to the number of time samples of the analog signal sample that correspond to the time window. The number of neurons in the hidden layer is selected empirically. The output layer contains the value of the objective function R, which can take the logical value O (no distortion) or 1 (there is distortion). The processor transmits the output data of the neural network to the input of the interface converter 6 for further transmission via a digital communication channel.

Claims

A neural network detector of the onset of nonlinear distortions of an electrical signal, containing an analog sensor, the input of which is the input of the device, an analog-to-digital converter, which converts the output signal of the analog sensor into a digital one and transmits it to a data storage unit, a master clock generator for supplying a control signal to the analog-to-digital converter , a data storage unit for storing digitized values of an analog signal with a duration of at least one period of the fundamental frequency of the signal, a processor that takes the necessary data from the data storage unit, pre-processes it, processes it using a trained neural network and transmits the value of the target logical function to the output, which can take the value 0 (no distortion) or 1 (there is distortion), a digital interface converter block whose output is the output of the device.