Принципы выполнения измерительных устройств на цифровых элементах

 

4.5.1 Измерение тока и напряжения

Разложение в ряд Фурье. Токи и напряжения при коротком замыкании представляют собой периодические функции с периодом Любая периодическая функция может быть представлена в виде

(4.23)

где − среднее значение функции; − амплитуда косинусной составляющей членов ряда; − амплитуда синусной составляющей членов ряда; − начальная фаза -ой гармоники; − амплитудное значение гармоники .

Эти формулы базируются на свойстве ортогональности семейства функций sin υωt; cos υωt.

Таким образом, по выражениям (4.23), получаем синусную , косинусную и амплитуду каждой гармоники, в том числе и основной. После этого величину можно считать полностью идентифицированной.

Недостатком алгоритма является медленная работа, ограниченность класса функций, подлежащих обработке, а также то, что непериодические функции не могут быть разложены в дискретный ряд Фурье. Для целей ОМП этот недостаток не является существенным, так как при КЗ измеряемые величины носят периодический характер.

По мгновенным значениям. Ток и напряжение для ОМП поступают на цифровые запоминающие устройства после прохождения фильтров и потому можно считать их синусоидальными величинами. Идентификация синусоидального входного сигнала f(t) = Fm sin (ωt) может быть почти мгновенной. Действительно, измерив f(t1) и фазу ωt1 = φ1 для момента времени t1, можем считать амплитуду идентифицированной, равной

.

Действующее значение величины

. (4.24)

Среднее значение величины

. (4.25)

По интегральным значениям. Здесь действующее и среднее значения получаются не в результате обработки мгновенных значений за период Т, а при измерении синусоиды в одной точке. В этой связи, данные показания уместно назвать прогнозируемыми значениями величины f(t). Расчет прогнозируемого действующего значения приводит к повышенной погрешности при появлении случайной помехи в момент измерения сигнала. Поэтому в тех случаях, когда большого быстродействия не требуется, предпочтительным считается интегральный способ измерения синусоидальных величин.

Интегральные действующее и среднее значение величины определяется по известным выражениям:

для действующего значения

, (4.26)

для среднего значения

. (4.27)

Амплитуду синусоидального сигнала можно получить через действующее или среднее значение величин, определенных по выражениям (4.24) и (4.25).

По сравнению абсолютных значений. Измерение амплитуды при дискретной обработке сигнала можно проводить сравнением абсолютных значений смежных выборок сигнала и . Как только , значение представляет собой максимальное значение, его следует запомнить. Далее по формулам (4.24), (4.25) определяем действительное и среднее значения величин.

По мгновенному значению и производной. Пусть ток имеет синусоидальную форму частоты ω

(4.28)

Вычислим производную от тока

(4.29)

Возведя (4.28) и (4.29) в квадрат и сложив, получим

(4.30)

откуда

.

Поделим (4.28) на (4.29), получим

,

откуда

 

или

. (4.31)

Таким образом, имея первую производную и мгновенное значение синусоидальной величины в момент времени t, находим амплитуду и начальную фазу измеряемой величины.

Определение величины первой производной осуществляется по интерполяционным формулам. Для этого берется два значения величины в момент времени t и ( ), тогда

.

При ∆t = 0,5 мс, f = 50Гц погрешность вычисления производной не превышает 0,15 %. Такой принцип позволяет осуществлять замер за время, равное примерно двум-трем интервалам квантования.

 

 

4.5.2 Измерение сопротивления

По действующим значениям тока и напряжения. Для измерения сопротивленияпри КЗ можно воспользоваться традиционным способом, когда измеряются действующие значения соответствующих напряжения UКЗ и тока IКЗ. Тогда сопротивление до места повреждения

. (4.32)

Расстояние до места повреждения равно

, (4.33)

где − удельное сопротивление линии.

По мгновенным значениям тока и напряжения. Кроме традиционного способа определения lКЗ цифровая техника позволяет применять и другие алгоритмы. В упрощенных схемах замещения линия представляется последовательно включенными .

При КЗ на такой линии падение напряжения на петле КЗ определяется как

(4.34)

Перепишем уравнение (4.34):

(4.35)

где Δt – интервал дискретизации при цифровой обработке сигнала.

В уравнении (4.35) две неизвестные величины − . Величины U и Δi вычисляются на каждом шаге дискретизации.

Для момента времени t, когда ток i = 0, можно записать

, (4.36)

откуда

. (4.37)

Аналогично для момента времени t2, когда , имеем

,

откуда

. (4.38)

Расстояние до места повреждения

, (4.39)

(4.40)

где − удельные параметры линии.

Для ОМП достаточно одного выражения. Как правило, используется только (4.39), так как сильно зависит от переходного сопротивления в месте КЗ.

Используя выражение (4.35), параметры , можно определить значительно быстрее, выполнив два замера для tк и tm:

(4.41)

Решение системы (4.41) дает

; (4.42)

. (4.43)

Измерение расстояния до места повреждения по мгновенным значениям тока и напряжения по выражениям (4.42), (4.43).

По ортогональным составляющим. В процессе цифрового преобразования токов и напряжений измеряются их ортогональные составляющие – синусоидальная FS и косинусоидальная FC. Если синусоидальную величину направить по оси действительных величин, а косинусоидальную − по оси мнимых величин, то , где

 

Применительно для токов и напряжений

 

При КЗ на линии для петли КЗ можно записать

. (4.44)

В (4.44) напряжение и ток выразим через ортогональные составляющие

(4.45)

Тогда уравнение (4.44) с учетом (4.45) разбивается на два уравнения

(4.46)

В системе (4.46) домножим первое уравнение на , второе − на и из второго вычтем первое, получим:

,

откуда

. (4.47)

В системе (4.46) домножим первое уравнение на , второе – на и из второго вычтем первое, получим:

,

откуда

. (4.48)