energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2021-64-2-95-108energy-2053Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGСовершенствование алгоритма формирования ортогональных составляющих входных величин в микропроцессорных защитахImprovement of Algorithm for Formation of Orthogonal Components of Input Quantities in Microprocessor ProtectionРоманюкФ. 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

faromanuk@bntu.byРумянцевЮ. В.RumiantsevYu. V.

г. Минск

Minsk

РумянцевВ. Ю.RumiantsevV. Yu.

г. Минск

Minsk

НовашИ. В.NovashI. V.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus20210904202164295108Copyright © Романюк Ф.А., Румянцев Ю.В., Румянцев В.Ю., Новаш И.В., 20212021Романюк Ф.А., Румянцев Ю.В., Румянцев В.Ю., Новаш И.В.Romaniuk F.A., Rumiantsev Y.V., 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/2053

Использование ортогональных составляющих (ОС) лежит в основе построения измерительных органов современных устройств защиты и автоматики. В большинстве микропроцессорных защит выделение ОС входного сигнала осуществляется с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Недостатками ДПФ являются его невысокое быстродействие, превышающее один период основной частоты, а также чувствительность к свободной апериодической составляющей, создающей, в зависимости от постоянной времени ее затухания, существенные погрешности преобразования. Для построения быстродействующих измерительных органов такое время установления истинного выходного сигнала часто является неприемлемым. В статье предлагается формировать ОС эквивалентного сигнала по значениям косинусной и синусной ОС основной гармоники, сформированных с использованием ДПФ, путем их умножения на результирующий корректирующий коэффициент. Разработанный алгоритм формирования ОС входных сигналов в микропроцессорных защитах отличается высоким быстродействием в переходных режимах и обладает широкими функциональными возможностями. Так, предлагаемое цифровое устройство формирования ОС эквивалентного сигнала по сравнению с цифровым фильтром на основе ДПФ отличается повышенным быстродействием функционирования как в режиме возникновения короткого замыкания, так и при спаде контролируемого сигнала, сохраняя такие же, как у ДПФ, характеристики в остальных режимах. Разработана структурная схема предлагаемого цифрового устройства формирования ОС эквивалентного сигнала, все блоки которого могут быть реализованы на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе. В соответствии со структурной схемой разработана цифровая модель указанного устройства в системе динамического моделирования MatLab-Simulink. В результате проведенных расчетов установлено существенное (до двух раз) повышение быстродействия предлагаемого цифрового устройства формирования ОС в переходных режимах по сравнению с формирователями, основанными на ДПФ.

The use of orthogonal components (OC) underlies  the construction of measuring elements of  modern protection and automation devices. In most microprocessor-based protections, the orthogonal component of the input signal is extracted using a discrete Fourier transform (DFT). The DFT disadvantages are its low speed, which is more than one period of the fundamental frequency, as well as the sensitivity to the free aperiodic component, which creates significant conversion errors depending on the time constant of its decay. Such a settling time of the true output signal is often unacceptable for the design of high-speed measuring devices. The paper proposes to form the OC of the equivalent signal according to the values of the cosine and sine OC of the fundamental harmonic, formed using the DFT by multiplying them by the resulting correction factor. The developed algorithm for the formation of orthogonal components of input signals in microprocessor protections is characterized by high speed in transient modes and it has wide functionality. So, the proposed digital device for forming the orthogonal components of an equivalent signal, in comparison with digital filter based on the DFT, has an increased operating speed both in the mode of occurrence of a short circuit and during the decay of the monitored signal, while maintaining the same characteristics as in the DFT in other modes. A block diagram of the proposed digital device for forming the OC of an equivalent signal has been developed, all blocks of which can be implemented on a microelectronic and microprocessor element base. A digital model of the specified device has been developed in the dynamic modeling system MatLab-Simulink in accordance with the structural diagram. As a result of the calculations, a significant (up to two times) increase in the performance of the proposed digital device for forming the OC in transient modes has been established in comparison with the shapers based on the DFT.

ортогональные составляющиецифровое устройство формирования ортогональных составляющихмикропроцессорная защитацифровые фильтрыдискретное преобразование Фурьеинтегральное преобразование Фурьемодельтестовое воздействиевычислительный экспериментMatLab-Simulinkorthogonal componentsdigital device for forming the orthogonal componentsmicroprocessor protectiondigital filtersdiscrete Fourier transformintegral Fourier transformmodeltest impactcomputational experimentMatLab-SimulinkReferencesШнеерсон, Э. М. Цифровая релейная защита / Э. М. Шнеерсон. М.: Энергоатомиздат, 2007. 594 с.Schneerson E. M. (2007) Digital Relay Protection. Moscow, Energoatomizdat Publ. 594 (in Russian).Schweitzer III, E. O. Filtering for Protective Relays / E. O. Schweitzer III, D. Hou // WESCA-NEX 93. Communications, Computers and Power in the Modern Enviroment. Conference Proceedings. IEEE, 1993. P. 15–23. https://doi.org/10.1109/wescan.1993.270548.Schweitzer III E. O., Hou D. (1993) Filtering for Protective Relays. WESCANEX 93. Communications, Computers and Power in the Modern Enviroment. Conference Proceedings. IEEE, 15–23. https://doi.org/10.1109/wescan.1993.270548.Методика повышения быстродействия измерительных органов микропроцессорных защит электроустановок / Ф. А. Романюк [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 5. С. 403–412. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-5-403-412.Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Novash I. A., Rumiantsev Yu. V. (2019) Technique of Performance Improvement of the Microprocessor-Based Protection Measuring Element. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (5), 403–412. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-5-403-412 (in Russian).Ванин, В. К. Релейная защита на элементах вычислительной техники / В. К. Ванин, Г. М. Павлов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 336 с.Vanin V. K., Pavlov G. M. (1991) Relay Protection on the Elements of Computer Technology. Moscow, Energoatomizdat Publ. 336 (in Russian).Бронштейн, И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. М.: Наука, Главная ред. физ.-мат. лит., 1986. 544 с.Bronstein I. N., Semendyayev K. A. (1986) Handbook of Mathematics for Engineers and Students of Technical Universities. Moscow, Nauka Publ. Main Editorial Office of Physical and Mathematical Literature. 544 (in Russian).SimPowerSystems. User’s Guide. Version 5. The MathWorks, 2011.SimPowerSystems. User’s Guide. Version 5. (2011) The MathWorks.Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в MatLab, SimowerSystems и Simulink / И. В. Черных. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2011. 288 с.Chernykh I. V. (2011) Modeling of Electrical Devices in MatLab, SimowerSystems and Simulink. Moscow, DMK Press Publ; Saint-Petersburg, Piter Publ. 288 (in Russian).Дэбни, Дж. Simulink 4. Секреты мастерства / Дж. Дэбни, Т. Харман; пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. 403 с.Dabney J., Harman T. (2003) Simulink 4. Mastering Secrets. Moscow, BINOM Publ. 403 (in Russian).Измерительный орган тока для функционирования в условиях глубокого насыщения магнитопровода трансформатора тока: пат. 20808 Респ. Беларусь: МПК (2006.01) H 02H 3/08 / Ю. В. Румянцев, Ф. А. Романюк, В. Ю. Румянцев, И. В. Новаш. Опубл. 28.02.2017.Rumiantsev Yu. V., Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Novash I. V. (2017) Current Measuring Element for Operation under Conditions of Deep Saturation of Magnetic Circuit of Current Transformer. Patent No 20808 Republic of Belarus (in Russian).Цифровой измерительный орган тока для функционирования в условиях глубокого насыщения трансформатора тока / Ю. В. Румянцев [и др. ] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 6. С. 483–493. https://doi.org/ 10.21122/ 1029-7448-2018-61-6-483-493.Rumiantsev Yu. V., Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Novash I. V. (2018) Digital Current Measurement Element for Operation During Current Transformer Severe Saturation. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (6), 483–493. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-483-493 (in Russian).Формирование ортогональных составляющих входных сигналов в микропроцессорных защитах / Ф. А. Романюк и др. // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 4. С. 328–339. https://doi.org/10.21122/1029-7448-202063-4-328-339.Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Rumiantsev Yu. V., Kachenya V. S. (2020) Orthogonal Components Forming of the Microprocessor-Based Protection Input Signals. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (4), 328–339. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-328-339 (in Russian).

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