background image

 

10. Zabezpieczenia cyfrowe 

 

Początek: lata 

70-te 

Korzyści: 

• 

Możliwość łatwego komunikowania się między urządzeniami, zmniejszenie ilości 

połączeń kablowych 

• 

Łatwość przechowywania dużych zasobów informacji 

• 

Możliwość realizacji złożonych algorytmów działania zabezpieczeń 

• 

Możliwość samotestowania urządzeń 

• 

Zredukowanie kosztu zabezpieczeń 

 

Typy architektury zabezpieczeń cyfrowych: 

• 

Rozproszone urządzenia cyfrowe 

• 

Układy zintegrowane 

 

Źródła informacji zabezpieczeń cyfrowych: 

 

(I, U) sygnały analogowe 

 

sygnały dwustanowe 

 

z.c. 

 

 

 

z.c. 

 

 

 

 

Dyskretyzacja sygnałów analogowych 

 

Sygnały 

 

analogowe 

Wstępne 

Filtracja 

Pomiary 

Logika 

 

Przetwarzanie 

analogowa 

cyfrowe 

i decyzja 

cyfrowe

 

 

 

 1

background image

 

Filtracja analogowa - filtr analogowy dolnoprzepustowy, odfiltrowanie wyższych 

częstotliwości zbędnych w dalszym procesie obróbki sygnału 

 

Filtr A/C -    

fi - częstotliwość próbkowania 

 

 

 

 

fp

4

fi

 

 

 

fp - częstotliwość sygnału przydatnego do dalszej obróbki 

 

 

 

3

fp

fi

fc

fp

<

<

 

fc - częstotliwość odcięcia filtru 

dolnoprzepustowego 

 

Przetwornik próbkuje sygnał z częstotliwością fi zamieniając każdą z próbek na słowo 

o długości m bitów (plus bit znaku). 

 

Liczba dyskretnych stanów (przedziałów) odwzorowana słowem m-bitowym. 

 

 

 

 

1

m

2

N

=

np. m=3 - długość słowa 

 

 

7

1

3

2

N

=

=

0 0 0 

0 0 1 

0 1 0 

0 1 1 

1 0 0 

1 0 1 

1 1 0 

1 1 1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

Z

DZ

=

 

 

 

DZ - różnica wartości sygnału analogowego między dwoma sąsiednimi poziomami 

cyfrowymi, 

 

N - maksymalny zakres cyfrowy, 

 

Z - maksymalny zakres analogowy 

 

Pomiar: (Xmin, Xmax)  

 

Xmin, Xmax - najmniejsza i największa spodziewana wartość sygnału analogowego 

ε - wymagany względny poziom dokładności pomiaru sygnału analogowego 

 2

background image

 

 

⎪⎪

ε

ε

min

X

max

X

5

.

0

N

min

X

DZ

5

.

0

max

X

Z

 

 

 

 

 

Na podstawie obliczonego N oblicza się długość słowa przetwornika pomiarowego 

 

Przykład: 

Xmin = 1 V;   

Xmax = 150 V, 

ε = 0.01 (1%) 

 

)

8192

13

2

(

;

13

m

;

7500

1

01

.

0

150

5

.

0

N

=

=

=

 

 

Wstępne przetwarzanie cyfrowe 

 

•  Filtracja cyfrowa - wydobycie z sygnału mierzonego składowych o określonej 

częstotliwości lub składowej symetrycznej 

•  Ortogonalizacja przebiegów sinusoidalnych - wyznaczenie składowych ortogonalnych - 

amplitudy i fazy 

 

Cyfrowa filtracja częstotliwościowa 

 

•  Filtry o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (NOI), (IIR - infinite impulse response) - 

filtry rekursywne 

•  Filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (SOI) - (FIR - finite impulse response) - 

filtry nierekursywne 

•  Filtry Kalmana 

 

 

 

 

 

 3

background image

 

Filtr NOI 

 

Reakcja na pobudzenie o skończonym czasie trwania jest (teoretycznie) nieskończenie długa 

 

 

Z

-1

Z

-1

Z

-1

Z

-1

WEJ 

WYJ 

b

0

 

-a

q

-a

0

b

p

 

b

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

k

, b

k

 > 0 - współczynniki wzmocnienia 

Algorytm filtru NOI 

Transmitancja filtru   

)

z

(

X

)

z

(

Y

)

z

(

H

=

 

przy czym; 

 

 

)

q

z

q

a

.........

1

z

1

a

0

a

(

1

p

z

p

b

.........

1

z

1

b

0

b

)

z

(

H

+

+

+

+

+

+

+

=

 

z - 

wartość próbki 

z

-k

 - 

opóźnienie próbki o k okresów próbkowania (czas: k

⋅Ti) 

Przez dobór współczynników a

k

 i b

k

 można uzyskać filtr dolnoprzepustowy lub pasmowy. 

Charakterystyka widmowa:   

=

ω

+

=

ω

=

ω

q

0

k

)

i

T

k

j

exp(

k

a

1

p

0

k

)

i

T

k

j

exp(

k

b

)

j

(

H

 

T

i

 - okres próbkowania 

 

 

 

 

 

 

 4

background image

 

 

Filtr SOI 

 

Reakcja na pobudzenie o skończonym czasie trwania jest skończona 

 

 

 

Z

-1

 

Z

-1

 

WEJ 

b

0

 

b

 

WYJ

p

 

b

1

 

 

 

 

 

 

 

Transmitancja filtru   

)

z

(

X

)

z

(

Y

)

z

(

H

=

 

przy czym; 

 

 

p

z

p

b

.........

1

z

1

b

0

b

)

z

(

H

+

+

+

=

 

z - 

wartość próbki 

z

-k

 - 

opóźnienie próbki o k okresów próbkowania (czas: k

⋅Ti) 

Charakterystyka widmowa:   

=

ω

=

ω

p

0

k

)

i

T

k

j

exp(

k

b

)

j

(

H

 

T

i

 - okres próbkowania 

 

Dla filtrów SOI wprowadza się pojęcie okna filtru, którego długość odpowiada (n+1) 

próbkom. Długość okna 

i

T

)

1

n

(

w

T

+

=

. Kształt okna jest obwiednią 

współczynników wagowych b

k

 Przykłady okien i odpowiadających im widm: 

 

 

 

 

 

 

 5

background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ortogonalizacja sygnałów sinusoidalnych 

 

Dany sygnał:  

 

)

t

1

cos(

1

I

)

t

(

i

β

+

ω

=

 

 

Funkcje ortogonalne:  

)

t

1

cos(

1

I

)

t

(

d

i

α

+

ω

=

 

 

 

 

 

)

t

1

sin(

1

I

)

2

t

1

cos(

1

I

)

t

(

q

i

α

+

ω

=

π

α

+

ω

=

 

α - dowolny kąt 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-T

w

/2 

T

w

/2 

ω 

w

T

2

π

w

T

4

π

w

T

6

π

-T

w

/2 

T

w

/2 

H

ω 

w

T

2

π

w

T

4

π

w

T

6

π

i

d

 

β 

α 

i

q

 

α-π/2

 6

background image

 

Dyskretne składowe ortogonalne 

 

)

2

i

T

1

h

cos(

2

)

h

n

(

i

)

n

(

i

)

i

T

1

n

cos(

1

I

)

n

(

d

i

ω

+

=

α

+

ω

=

 

 

)

2

i

T

1

h

cos(

2

)

h

n

(

i

)

n

(

i

)

i

T

1

n

sin(

1

I

)

n

(

q

i

ω

=

α

+

ω

=

 

n - kolejna próbka sygnału 

h - liczba próbek opóźnienia sygnału 

T

i

 - okres próbkowania 

 

Filtracja składowych symetrycznych 

 

Metoda składowych symetrycznych 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Ilustracja 

rozkładu niesymetrycznej gwiazdy wielkości fazowych na sumę trzech 

układów symetrycznych: kolejności zgodnej, przeciwnej i zerowej 

)

3

L

W

2

a

2

L

W

a

1

L

W

(

3

1

)

1

(

1

L

W

+

+

=

;    

)

3

L

W

a

2

L

W

2

a

1

L

W

(

3

1

)

2

(

1

L

W

+

+

=

 

)

3

L

W

2

L

W

1

L

W

(

3

1

)

0

(

1

L

W

+

+

=

;   

 

 

 

π

= 3

2

j

e

a

 

 

 

 

 

 

 

W

L1 

W

L2 

W

L3 

W

L1

(1

)

W

L2

(1)

W

L3

(1

)

W

L1

(2)

W

L2

(2)

W

L3

(2

)

W

L1

(0)

W

L2

(0)

W

L3

(0)

 

 7

background image

 

 

Def. 

=

3

L

I

2

L

I

1

L

I

a

2

a

1

2

a

a

1

1

1

1

3

1

)

2

(

I

)

1

(

I

)

0

(

I

;  

 

)

3

2

j

exp(

a

π

=

 

 

Realizacja na próbkach (sposób naturalny): 

 

 

 

)

n

(

3

L

i

)

n

(

2

L

i

)

n

(

1

L

i

)

n

(

)

0

(

i

3

+

+

=

 

)

3

m

n

(

3

L

i

)

3

m

2

n

(

2

L

i

)

n

(

1

L

i

)

n

(

)

1

(

i

3

+

+

=

 

 

)

3

m

2

n

(

3

L

i

)

3

m

n

(

2

L

i

)

n

(

1

L

i

)

n

(

)

2

(

i

3

+

+

=

 

m - liczba próbek w jednym oknie sinusoidy 

 

Realizacja na próbkach (korzystanie z sygnałów zortogonalizowanych) 

 

 

 

 

)

n

(

d

3

L

i

)

n

(

d

2

L

i

)

n

(

d

1

L

i

)

n

(

)

0

(

i

3

+

+

=

 

)

n

(

q

3

L

i

2

3

)

n

(

d

3

L

i

2

1

)

n

(

q

2

L

i

2

3

)

n

(

d

2

L

i

2

1

)

n

(

d

1

L

i

)

n

(

)

1

(

i

3

+

+

=

 

 

)

n

(

q

3

L

i

2

3

)

n

(

d

3

L

i

2

1

)

n

(

q

2

L

i

2

3

)

n

(

d

2

L

i

2

1

)

n

(

d

1

L

i

)

n

(

)

2

(

i

3

=

 

 

gdzie: i

L1d

, i

L2d

, i

L3d

, i

L1q

, i

L2q

, i

L3q

- składowe ortogonalne d i q prądów fazowych  i

L1

, i

L2

, i

L3

 

Pomiar amplitudy 

 

2

q

i

2

d

i

)

n

(

1

I

+

=

 

lub 

)

h

i

T

1

sin(

)

h

n

(

q

i

)

n

(

d

i

)

n

(

q

i

)

h

n

(

d

i

)

n

(

1

I

ω

=

 

 8

background image

 

gdzie: 

i

T

1

t

h

=

;  

 

y

1

 - dowolne opóźnienie sygnału ortogonalnego 

 

Pomiar mocy czynnej i biernej 

 

Def.: 

ϕ

=

cos

1

I

1

U

2

1

P

  

moc 

czynna 

ϕ

=

sin

1

I

1

U

2

1

Q

  

moc 

bierna 

U

1

, I

1

 - amplitudy podstawowych harmonicznych 

 

Realizacja cyfrowa: 

Sposób 1 

Wykorzystanie składowych ortogonalnych podstawowej harmonicznej prądu i napięcia 

)]

n

(

q

i

)

n

(

q

u

)

n

(

d

i

)

n

(

d

u

[

2

1

)

n

(

P

+

=

 

)]

n

(

q

i

)

n

(

d

u

)

n

(

d

i

)

n

(

q

u

[

2

1

)

n

(

Q

=

 

 

Sposób 2 

Wykorzystanie składowych ortogonalnych bieżących i opóźnionych podstawowej 

harmonicznej prądu i napięcia 

)

h

i

T

1

sin(

2

)

h

n

(

q

i

)

n

(

d

u

)

n

(

q

i

)

h

n

(

d

u

)

n

(

P

ω

=

 

)

h

i

T

1

sin(

2

)

n

(

q

i

)

h

n

(

d

u

)

h

n

(

d

i

)

n

(

d

u

)

n

(

Q

ω

=

 

gdzie: 

i

T

1

t

h

=

   t

1

 - dowolne opóźnienie 

 

Istnieje wiele algorytmów obliczania mocy czynnej i biernej. Istotne są dwie ważne cechy: 

- Odporność na zniekształcenie sygnałów (wyższe harmoniczne, odchylenie od częstotliwości 

sieciowej), 

 9

background image

 

- Szybkość ustalania się wyniku pomiaru przy nagłej zmianie wartości sygnału (np. po 

zwarciu). 

 

Pomiar rezystancji i reaktancji do miejsca zwarcia 

 

 

Pomiar rezystancji i reaktancji do miejsca zwarcia w układzie przedstawionym na 

rysunku można zrealizować wg zależności: 

 

Sposób 1 

 

2

1

I

Q

2

z

X

=

 

2

1

I

P

2

z

R

=

 

gdzie: Q i P - fazowe moce czynne i bierne przesyłane od miejsca pomiaru w kierunku 

uszkodzenia 

I

1

 - amplituda prądu płynącego przez uszkodzoną linię. 

 

 

R

z

 

X

z

 

X

l

-X

z

 

R

l

-R

z

 

R

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 Rezystancja 

przejścia R

K

 wprowadza zafałszowanie pomiaru. Także zasilanie 

dwustronne miejsca zwarcia wprowadza zafałszowanie. 

 

Sposób 2 

 

 Układ jak na rysunku można opisać równaniem: 

 

 

10

background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

L

)

t

(

'i

z

R

)

t

(

i

)

t

(

u

+

=

 

gdzie: 

 - pierwsza pochodna prądu 

)

t

(

'i

 Zapisując to równanie dla dwóch chwil: t

1

 i t

2

 otrzymujemy: 

z

L

)

1

t

(

'i

z

R

)

1

t

(

i

)

1

t

(

u

+

=

 

z

L

)

2

t

(

'i

z

R

)

2

t

(

i

)

2

t

(

u

+

=

 

i rozwiązując znajdujemy: 

1

'i

2

i

2

'i

1

i

1

'i

2

u

2

'i

1

u

)

n

(

z

R

=

 

1

'i

2

i

2

'i

1

i

2

i

1

u

1

i

2

u

)

n

(

z

X

=

 

gdzie: 

 - wartości określone w chwili  , 

1

'i

,

1

i

,

1

u

1

t

 

 - wartości określone w chwili 

2

'i

,

2

i

,

2

u

2

t

 

 Wartości te określić można z zależności: 

2

i

T

1

cos

2

)

1

n

(

u

)

n

(

u

2

u

ω

+

=

 

2

i

T

1

cos

2

)

1

n

(

i

)

n

(

i

2

i

ω

+

=

 

2

i

T

1

sin

2

)

1

n

(

i

)

n

(

i

2

'i

ω

=

 

 Podobnie 

można określić 

 z tym, że zamiast próbki (n) należy wstawić próbkę 

(n-r), przy czym 

1

'i

,

1

i

,

1

u

i

T

r

1

t

2

t

=

R

z

 

L

z

 

 

11

background image

 

 

12

 

Opisany algorytm eliminuje wpływ składowej nieokresowej zawartej w sygnałach na 

wynik pomiaru. 

 

[1]  Winkler W., Wiszniewski A.: Automatyka zabezpieczeniowa w systemach 

elektroenergetycznych. WNT. Warszawa, 1999 

[2]  Wiszniewski A.: Algorytmy pomiarów cyfrowych w automatyce elektroenergetycznej. 

WNT. Warszawa, 1990 

[3]  Szafran J., Wiszniewski A.: Algorytmy pomiarowe i decyzyjne cyfrowej automatyki 

elektroenergetycznej. WNT. Warszawa, 2001 

[4]  Rosołowski E.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów w automatyce elektroenergetycznej. 

Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2002