energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2025-68-3-193-208energy-2464Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGПовышение быстродействия цифрового фильтра Фурье в измерительных органах микропроцессорных защитPerformance Increase of the Digital Fourier Filter in Measuring Bodies of Microprocessor ProtectionsРумянцевВ. Ю.RumiantsevV. Yu.

Адрес для переписки: Румянцев Владимир Юрьевич  –Белорусский национальный технический университет,пр-т Независимости, 65/2,220013, г. Минск, Республика Беларусь.Тел.: +375 17 326-89-51vrumiantsev@bntu.by

Address for correspondence:Rumiantsev Vladimir Yu. –Belаrusian National Technical University,65/2, Nezavisimosty Ave.,220013, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 326-89-51 vrumiantsev@bntu.by

vrumiantsev@bntu.byРумянцевЮ. В.RumiantsevYu. V.

г. Минск

Minsk

РоманюкФ. А.RomaniukF. A.

г. Минск

Minsk

ДерюгинаЕ. А.DziaruhinaA. A.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202529052025683193208Copyright © Румянцев В.Ю., Румянцев Ю.В., Романюк Ф.А., Дерюгина Е.А., 20252025Румянцев В.Ю., Румянцев Ю.В., Романюк Ф.А., Дерюгина Е.А.Rumiantsev V.Y., Rumiantsev Y.V., Romaniuk F.A., Dziaruhina A.A.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/2464

Рассмотрена методика построения цифрового фильтра на основе дискретного преобразования Фурье в составе микропроцессорных защит электроустановок, обладающего повышенным быстродействием в переходном режиме установления его выходного сигнала. Для реализации фильтра предлагается использовать так называемые эквивалентные ортогональные составляющие входного сигнала тока или напряжения, которые являются функцией текущего значения нелинейного корректирующего коэффициента и ортогональных составляющих сигнала основной частоты, выделяемых с помощью цифрового фильтра Фурье. Скорость изменения эквивалентных ортогональных составляющих в переходных режимах определяется характером изменения нелинейного корректирующего коэффициента. Для формирования последнего необходимо иметь две независимые друг от друга переходные характеристики входного сигнала. Ранее предлагалось формировать указанные характеристики с использованием двух цифровых фильтров: собственно фильтра Фурье, выделяющего из входного сигнала действующее значение основной гармоники, и дополнительного фильтра, определяющего действующее значение всего входного сигнала. В настоящей работе предлагается отказаться от дополнительного цифрового фильтра и определять нелинейный корректирующий коэффициент, а также ортогональные составляющие эквивалентного сигнала с использованием непосредственно цифрового фильтра Фурье. В среде динамического моделирования MATLAB-Simulink реализована математическая модель разработанного фильтра и модели элементов для воспроизведения тестовых воздействий. Проверка функционирования модели цифрового фильтра Фурье с ускоренным функционированием в переходном режиме проводилась с использованием нескольких видов тестовых воздействий – синусоидального сигнала с частотой 50 Гц, сигнала с апериодической составляющей, воздействием с высшими гармониками, а также сигналом, приближенным к реальному вторичному току трансформатора тока при коротком замыкании. Проведенные вычислительные эксперименты выявили существенное (до 1,5–1,7 раза) повышение быстродействия в переходном режиме предлагаемого цифрового фильтра по сравнению со стандартным фильтром Фурье.

A technique for constructing a digital filter based on the discrete Fourier transform as part of microprocessor protections for electrical installations which is characterized by increased performance in the transient mode of setting its output signal is considered. To implement the filter, it is proposed to use the so-called equivalent orthogonal components of the input current or voltage signal which are a function of the current value of the nonlinear correction factor and the orthogonal components of the fundamental frequency signal isolated using a digital Fourier filter. The rate of change of equivalent orthogonal components in transient modes is determined by the nature of the change in the nonlinear correction factor. To form the latter, it is necessary to have two independent transition characteristics of the input signal. Previously, it was proposed to generate these characteristics using two digital filters, viz. the actual Fourier filter which extracts the actual value of the fundamental harmonic from the input signal and the additional filter which determines the actual value of the entire input signal. In this article, it is proposed to abandon the additional digital filter and determine the nonlinear correction factor, as well as the orthogonal components of the equivalent signal using a direct digital Fourier filter. A mathematical model of the developed filter and element models for reproducing test influences are implemented in the MATLAB-Simulink dynamic simulation environment. The operation of the digital Fourier filter model with accelerated operation in transient mode was tested using several types of test influences, viz. a sinusoidal signal with a frequency of 50 Hz, a signal with an aperiodic component, an influence with higher harmonics, as well as a signal close to the real secondary current of a short circuit current transformer. The computational experiments that had been conducted revealed a significant (up to 1.5–1.7 times) increase in the speed in the transient mode of the proposed digital filter compared to the standard Fourier filter.  

микропроцессорные защитыдискретное преобразование Фурьепереходный режимбыстродействиеортогональные составляющиецифровые фильтрытестовое воздействиевычислительный экспериментнасыщение трансформатора токаMATLABSimulinkmicroprocessor protectionsdiscrete Fourier transformtransient modeperformanceorthogonal componentsdigital filterstest influencecomputational experimentsaturation of a current transformerMATLABSimulinkReferencesШнеерсон, Э. М. Цифровая релейная защита / Э. М. Шнеерсон. М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.Schneerson E. M. (2007) Digital Relay Protection. Moscow, Energoatomizdat Publ. 549 (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. Relay Protection on Computer Hardware Elements. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991. 336 (in Russian).Wu, Q. H. Protective Relaying of Power Systems Using Mathematical Morphology / Q. H. Wu, Z. Lu, T. Y. Ji. London: Springer, 2009. 224 p. https://doi.org/10.1007/978-1-84882-499-7.Wu Q. H., Lu Z., Ji T. Y. (2009) Protective Relaying of Power Systems Using Mathematical Morphology. London, Springer, 2009. 224 p. https://doi.org/10.1007/978-1-84882-499-7.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. https://doi.org/10.1109/wescan.1993.270548.Schweitzer III E. O., Hou D. (1993) Filtering for Protective Relays. WESCANEX 93. Com-munications, 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, В. Ю. Румянцев, И. В. Новаш, Ю. В. Румянцев // 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 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).Формирование ортогональных составляющих входных сигналов в микропроцессорных защитах / Ф. А. Романюк, В. Ю. Румянцев, Ю. В. Румянцев, В. С. Каченя // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 4. С. 328–339. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-328-339.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 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).Румянцев, Ю. В. Формирование информационных составляющих входных величин в цифровых органах релейной защиты / Ю. В. Румянцев, В. Ю. Румянцев, Ф. А. Романюк. Минск: БНТУ, 2024. 175 с.Rumiantsev Yu. V., Rumiantsev V. Yu., Romaniuk F. A. (2024) Formation of Information Components of Input Quantities in Digital Relay Protection Devices. Minsk, BNTU. 175 (in Russian).Oliveira, N. L. S. Effects of the Exponentially Decaying DC Offset in the Phasor Estimation Algorithms Performance / N. L. S. Oliveira, B. A. Souza // Transmission and Distribution: Latin America Conference and Exposition (T&D-LA). 2012. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/tdc-la.2012.6319090.Oliveira N. L. S., de Souza B. A. (2012) Effects of the Exponentially Decaying DC Offset in the Phasor Estimation Algorithms Performance. 2012 Sixth IEEE/PES Transmission and Distribution: Latin America Conference and Exposition (T&D-LA), Montevideo, Uruguay, 2012. https://doi.org/10.1109/tdc-la.2012.6319090Реализация цифровых фильтров в микропроцессорных устройствах релейной защиты / Ю. В. Румянцев, Ф. А. Романюк, В. Ю. Румянцев, И. В. Новаш // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2016. Т. 59, № 5. С. 397–417. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-5-397-417.Rumiantsev Yu. V., Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Novash I. V. (2016) Digital+ Filters Implementation in Microprocessor-based Relay Protection. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 59 (5), 397–417. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-5-397-417 (in Russian).Большой энциклопедический словарь / гл. ред. А. М. Прохоров. 2-е изд, перераб. и доп. М.: Большая Российская энциклопедия; СПб.: Норинт, 2000. 1434 c.Prokhorov A. M. (еd.) (2000) The Great Encyclopedic Dictionary. 2nd ed. Moscow, Bol'shaya Rossiiskaya Entsiklopediya Publ.; St. Petersburg, Norint Publ., 2000. 1434 p. (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).Теория автоматического управления: учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика»: в 2 ч. / Н. А. Бабаков, А. А. Воронов, А. А. Воронова [и др.]; под ред. А. А. Воронова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1986. Ч. I: Теория линейных систем автоматического управления. 367 с.Babakov N. A., Voronov A. A., Voronova A. A., Diduk G. A., Dmitrieva N. D., Kim D. P., Benskii B. M., Popovich P. N. (1986) Theory of Automatic Control. Part I: Theory of Linear Automatic Control Systems. 2nd еd. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 367 (in Russian).Гилат, А. MATLAB. Теория и практика / А. Гилат; пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2016. 416 с.Gilat A. (2011) MATLAB. An Introduction with Applications. 4th ed. Wiley. 418.Испытания микропроцессорных токовых защит: теория, моделирование, практика / И. В. Новаш, Ф. А. Романюк, В. Ю. Румянцев, Ю. В. Румянцев. Минск: БНТУ, 2021. 168 с.Novash I. V., Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Rumiantsev Yu. V. (2021) Testing of Microprocessor Current Protections: Theory, Modeling, Practice. Minsk, BNTU. 168 (in Russian).

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