energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2016-59-5-397-417energy-1026Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGРЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ В МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВАХ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫDIGITAL FILTERS IMPLEMENTATION IN MICROPROCESSOR-BASED RELAY PROTECTIONРумянцевЮ. В.RumiantsevYu. V.РоманюкФ. А.RomaniukF. A.

Адрес для переписки: Романюк Федор Алексеевич — Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 65/2, 220013, г. Минск, Республика Беларусь Тел.: +375 17 331-00-51   faromanuk@bntu.by

Address for correspondence: Romaniuk Fiodar A. — Belаrusian National Technical University, 65/2 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 331-00-51   faromanuk@bntu.by

aromanuk@bntu.byРумянцевВ. Ю.RumiantsevV. Yu.НовашИ. В.NovashI. V.Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus201629092016595397417Copyright © Румянцев Ю.В., Романюк Ф.А., Румянцев В.Ю., Новаш И.В., 20162016Румянцев Ю.В., Романюк Ф.А., Румянцев В.Ю., Новаш И.В.Rumiantsev Y.V., Romaniuk F.A., Rumiantsev V.Y., Novash I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/1026

Рассмотрена реализация цифровых фильтров, используемых в измерительных органах тока микропроцессорных устройств релейной защиты. Приведены математические описания данных фильтров, а также программы для расчета их коэффициентов. Показано, что достоверно оценить функционирование цифровых фильтров можно только при входных воздействиях, приближенных по виду к реальным формам вторичного тока трансформатора тока, к которому подключена защита, использующая оцениваемый фильтр. Для этих целей в среде динамического моделирования MatLab–Simulink воспроизведена структурная модель энергосистемы и измерительного органа тока микропроцессорной (цифровой) защиты. Расчеты позволили установить, что при наличии в первичном сигнале тока экспоненциально затухающей апериодической составляющей магнитопровод трансформатора тока входит в насыщение даже при допустимой кратности первичного тока и номинальной вторичной нагрузке. Следствием этого являются искажение вторичного тока трансформатора тока и появление в нем высших гармоник, а также гармоник, не кратных основной. Сравнение реакций фильтров на указанные воздействия позволило выявить такие реализации фильтров, которые дают возможность определять амплитуду входного сигнала с наименьшими погрешностями. Предложены пути повышения качества фильтрации, связанные с применением оконных функций. Так, совместное использование цифровых фильтров и окна Хэмминга позволяет достичь близкого к нулю значения коэффициента усиления амплитуды сигнала в области высоких частот и практически подавить все спектральные составляющие, начиная с частоты 100 Гц. Происходящее при этом увеличение времени установления амплитуды сигнала может быть уменьшено за счет выбора наиболее оптимальных параметров всех элементов измерительного органа тока микропроцессорной защиты

This article presents the implementation of digital filters used in digital relay protection current measuring elements. Mathematical descriptions of the considered digital filters as well as the computer programs for their coefficients calculation are described. It has been shown that in order to reliable estimate the digital filter performance its input signals waveforms must be close to the actual secondary current waveform of the current transformer to which the digital protection with the estimated digital filter is connected. For these purposes in MatLab–Simulink dynamic simulation environment the power system and the current measuring element models were developed. Performed calculations allowed to reveal that the exponentially decaying DC component which in some cases contains in primary fault current drives the current transformer core into saturation even when its nominal parameters are not exceeded. This results in distortion of the current transformer secondary current which in this case contains higher and inter-harmonics. Moreover, such harmonic content is not completely taking into account during coefficients calculation of the considered digital filters what results in signal magnitude estimation inaccuracy. Comparison of the digital filters response to the above-mentioned input signals allowed to find out such digital filter implementations which enable signal magnitude estimation with a minimum error. Ways of filtering quality improvement concerned with the window functions are proposed. Thus, the joint usage of digital filter and Hamming window allows to achieve the zero value of the signal magnitude gain factor in high-frequency range and substantially suppress all spectral components above 100 Hz. The increasing of the signal magnitude settling time in this case can be reduced by choosing the most optimal parameters of the all components of the current measuring element.

цифровой фильтрдискретное преобразование Фурьеметод наименьших квадратовортогональные составляющиеокно Хэммингацифровая обработка сигналовтрансформатор токанасыщениемикропроцессорная релейная защитаMatLabSimulinkdigital filterdiscrete Fourier transformleast error squares techniqueorthogonal componentHamming windowdigital signal processingcurrent transformersaturationdigital relay protectionMatLabSimulinkReferencesRebizant, W. Digital Signal Processing in Power System Protection and Control / W. Rebizant, J. Szafran, A. Wiszniewski // Springer. London, 2011. 316 с.Rebizant W., Szafran J., Wiszniewski A. (2011) Digital Signal Processing in Power System Protection and Control. London, Springer. 316.Phadke, A. G. Computer Relaying for Power Systems / A. G. Phadke, J. S. Thorp. 2 edition. Chichester, England : John Wiley & Sons, 2009. 325 p.Phadke A. G., Thorp J. S. (2009) Computer Relaying for Power Systems. 2 edition. Chichester, England, John Wiley & Sons. 325 p.Влияние насыщения трансформаторов тока на работу токовых защит / Ф. А. Романюк [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2010. № 1. С. 5–9.Romaniuk F. A., Tishechkin A. A., Rumiantsev V. Yu., Novash I. V., Bobko N. N., Glinsky E. V. (2010) Influence of Current Transformer Saturation on Operation of Current Protection. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Ener-geticheskikh Ob’edinenii SNG [ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering as-sociations], (1), 5-9 (in Russian).Дьяконов, В. П. MatLab и Simulink для радиоинженеров / В. П. Дьяконов. М.: ДМК-Пресс, 2011. 975 с.Dyakonov V. P. (2011) MatLab and Simulink for Radio Engineers. Moscow, DMK-Press. 975 (in Russian).Шнеерсон, Э. М. Цифровая релейная защита / Э. М. Шнеерсон. М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.Sheyerson E. M. (2007) Digital Relay Protection. Moscow, Energoatomizdat Publ. 549 (in Russian).Sachdev, M. S. A New Algorithm for Digital Impedance Relays / M. S. Sachdev, M. A. Baribeau // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1979. No 6. Р. 2232–2240.Sachdev M. S., Baribeau M. A. (1979) A New Algorithm for Digital Impedance Relays. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, (6), 2232–2240. DOI: 10.1109/TPAS.1979.319422.Phadke, A. G. Synchronized Phasor Measurements and their Applications / A. G. Phadke, J. S. Thorp. Springer Science & Business Media. 2008. 248 p.Phadke A. G., Thorp J. S. (2008) Synchronized Phasor Measurements and their Applications. Springer Science & Business Media. 248.Романюк, Ф. А. Информационное обеспечение микропроцессорных защит электроустановок / Ф. А. Романюк. Минск: Технопринт, 2001. 133 с.Romaniuk F. A. (2001) Information Support of Microprocessor-Based Protection of Electrical Installations. Minsk, Tekhnoprint. 133 (in Russian).Лоусон, Ч. Численное решение задач метода наименьших квадратов / Ч. Лоусон, P. Хенсон; пер. с англ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 232 с.Lawson Ch., Henson R. (1986) Numerical Solution of Problems of the Method of Least Squares. Moscow, Nauka. 232 (in Russian).Schweitzer III, E. O. Filtering for Protective Relays / E. O. Schweitzer III, D. Hou // WESCANEX 93. 'Communications, Computers and Power in the Modern Environment.' Conference Proceedings. IEEE, 1993. P. 15-23.Schweitzer III E. O., Hou D. (1993) Filtering for Protective Relays. WESCANEX 93. 'Communications, Computers and Power in the Modern Environment.' Conference Proceedings. IEEE, 15-23. DOI:10.1109/WESCAN.1993.270548Романюк, Ф. А. Аналого-цифровая частотная фильтрация входных сигналов релейной защиты / Ф. А. Романюк, В. Ю. Румянцев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 1994. № 3–4. С. 7–12.Romanyuk F. A., Rumyantsev V. Yu. (1994) Analog-to-Digital Frequency Filtering of the Input Signals of Relay Protection. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG [ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations], ( 3-4), 7-12 (in Russian).Перспективные технологии реализации микропроцессорных защит линий распределительных сетей / Ф. А. Романюк [и др.] // Перспективные материалы и технологии: в 2 т. / под ред. В. В. Клубовича. Витебск: Витебский государственный технологический университет, 2015. T. 1 С. 115–139.Romanyuk F., Novash I., Rumiantsev V. Yu., Rumiantsev Yu.V. (2015) Promising Implementation Technologies of Microprocessor-Based Protections of the Lines of Distribution Grids. Klubovich V. V. Prospective Materials and Technology. Vol. 1. Vitebsk, Vitebsk State Technological University, 115-139 (in Russian).Романюк, Ф. А. Информационное обеспечение вычислительного эксперимента в релейной защите и автоматике энергосистем / Ф. А. Романюк, В. И. Новаш. Минск: ВУЗ-ЮНИТИ, 1998. 174 с.Romanyuk F. A., Novash V. I. (1998) Information Support of Computing Experiment in Relay Protection and Automation of Power Systems. Minsk, VUZ-YUNITI. 174 (in Russian).Королев, Е. П. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты / Е. П. Королев, Э. М. Либерзон. М.: Энергия, 1980. 210 с.Korolyev Ye. P., Liberzon E. M. (1980) Calculations of Permissible Loads in the Current Circuits of Relay Protection. Moscow, Energiya. 210 (in Russian).Новаш, И. В. Упрощенная модель трехфазной группы трансформаторов тока в системе динамического моделирования / И. В. Новаш, Ю. В. Румянцев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2015. № 5. С. 23–38.Novash I. V., Rumiantsev Y. V. (2015) A Simplified Model of Three-Phase Bank of Current Transformers in the Dynamic Simulation System. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG [ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations], (5), 23-38 (in Russian).Wye-Connected Current Transformers Simplified Model Validation in MatLab–Simulink / F. Romanyuk [et al.] // Przegląd Electrotechniczny. 2015. No 11. P. 292–295.Romanyuk F., Novash I., Rumiantsev Y., W?gierek P. (2015). Wye-connected current transformers simplified model validation in MATLAB-Simulink. Przegl?d Elektrotechniczny, 91(11), 292-295. doi:10.15199/48.2015.11.67Ванин, В. К. Релейная защита на элементах вычислительной техники / В. К. Ванин, Г. М. Павлов. Л.: Энергоатомиздат, 1991. 336 с.Vanin V. K., Pavlov G. M. (1991) Relay protection on the elements of computers. Leningrad, Energoatomisdat. 336 (in Russian).Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко. СПб.: БХВ-Петербург, 2011. 768 с.Sergiyenko A. B. (2011) Digital signal processing. St.-Petersburg, BHVPetersburg. 768 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.