CC BY
13
нлты
УКРЛ1НИ
wi/ган
Науковий bIch и к НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280116 Article received 19.12.2017 р. Article accepted 28.02.2018 р.
УДК 681.325
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
1 Correspondence author N. Ya. Vozna nvozna@ukr.net
Н. Я. Возна1, О. П. Люра2,1. О. Сабадаш3,1.1. Островка3
1 Тернотльський нащональний економiчний утверситет, м. Тернотль, Украша 2 1вано-Франювський нацюнальний техтчний утверситет нафти i газу, м. 1вано-Франювськ, Украша
3Нацюнальний утверситет "Львiвська полтехтка", м. Львiв, Украша
МЕТОД РОЗП1ЗНАВАННЯ ТА 1ДЕНТИФ1КАЦН НАКИД1В I ЗАМИКАНЬ НА ЗЕМЛЮ У ВИСОКОВОЛЬТНИХ Л1Н1ЯХ ЕЛЕКТРОПЕРЕСИЛАНЬ
Викладено теоретичш засади методiв розтзнавання обр^в на основi алгебра!чного, структурного, геометричного, ста-тистичного, кореляцшного, спектрального аналiзiв та обгрунтовано 1х системт характеристики. Запропоновано диференць ально-рiзницевий метод розпiзнавання наквдв i замикань на землю, який виконуеться згiдно з алгоритмом опрацювання цифрових гармонiчних сигналiв, що включае: формування цифрограм фазних струмiв з постшним кроком дискретизацп та квантування, якi проаналiзовано у квадратичному просторi на iнтервалi одного пiвперiоду гармотчно! частоти. Дослiджено структури та системш характеристики таких комионенлв пристрою розтзнавання наквдв та замикань на землю: АЦП роз-горнутого типу, багаторозрядного регiстра зсуву, структури логiчних елеменлв "Виключне АБО", цифрового перемножува-ча та спецпроцесора обчислення порогового значення iмпульсно-квадратичноl функцп, яка iдентифiкуе накид або замикан-ня на землю. Викладено шформацшну технологiю проектування структурних ршень спецпроцесора релейного захисту ви-соковольтних лiнiй електропересилань. Систематизовано наявш засоби релейного захисту на основi апаратних та програм-но-апаратних мжропроцесорних контролерiв цифрового захисту. Класифжовано компоненти спецпроцесора та обгрунтовано 1х характеристики, орiентованi на лшп електропересилань 6 кВ. Продемонстровано часовi дааграми випрямлених значень фазно1 напруги, струму та рiзницi фаз Аф тд час накидiв, коротких замикань та запуску потужних електродвигунiв у висо-ковольтних ЛЕП.
Ключовi слова: даагностування; збурення; накид; коротке замикання; електричне обладнання; спецпроцесор.
Вступ. Актуальным завданням пiд час створення су-часних шформацшних систем контролю технологiчних параметрiв та приладiв контролю якостi е розроблення теоретичних засад цифрового опрацювання гармошч-них сигналiв, як1 описують технолопчш параметри об'ектiв. Особливо важливою задачею розпiзнавання гармонiчних сигналiв е щентифшащя 1х спотворень у високовольтних енергетичних системах у разi виник-нення коротких замикань, що призводить до змiни 1х кореляцiйних та спектральних характеристик. Успiшне розв'язання тако! задачi може бути досягнуто на основi квадратично-iмпульсного перетворення сигналiв.
Мета роботи полягае в розробленш теоретичних засад методiв i компоненпв пристрою розпiзнавання та щентифжацп накидiв i замикань на землю у високовольтних лшях електропересилань, а також застосуван-ня цифрових пристро1в релейного захисту в енергосис-темах для захисту високовольтного обладнання ЛЕП на основi цифрового опрацювання сигналiв.
1. Ццентифшащя збурень у високовольтних ЛЕП на основi теори розтзнавання обралв. Дослвдження сигналiв виконуеться на основi теори розпiзнавання об-разiв. Образ - класифiкацiйне групування в системi кла-сифшацп, яке об'еднуе (видiляе) визначену групу об'ектiв за деякою ознакою (Liura et а1., 2016). У класичнiй поста-новцi задачi розпiзнавання унiверсальна множина розби-ваеться на частини-образи. Кожне ввдображення якого-небудь об'екта на органи сприйняття системи розтзна-вання, незалежно ввд його положення вiдносно цих орга-нiв, прийнято називати зображенням об'екта, а множину таких зображень, що об'еднаш якими-небудь загальними властивостями, представляють собою образи.
Розпiзнавання образiв (об'ектiв, сигналiв, ситуацiй, явищ чи процеав) - задача щентифжацп об'екта чи виз-начення яких-небудь його властивостей за його зобра-женням (оптичне розтзнавання), аудюзаписом (акус-тичне розпiзнавання) чи шшими характеристиками (наприклад, розпiзнавання характеристик гармошчних сигналiв).
Ыфор^фя про aBTopiB:
Возна Нaтaлiя Ярослaвiвнa, канд. техн. наук, доцент. Email: nvozna@ukr.net
Люра Олег Петрович, астрант кафедри комп'ютерних систем та мереж. Email: oleg.lura14@gmail.com Ca6a^^ 1гор Олексaндрович, канд. техн. наук, доцент кафедри електроенергетики та систем управлшня. Email: office@imskoe.org.ua
Острова lвaн lвaнович, аспiрант кафедри електроенергетики та систем управлшня. Email: ostrovka123@gmail.com Цитувaння 3a ДСТУ: Возна Н. Я., Люра О. П., Сабадаш I. О., Островка I. I. Метод розтзнавання та щентифЫацп накидiв i замикань
на землю у високовольтних л^ях електропересилань. Науковий вкник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 1. С. 79-84. Citation APA: Vozna, N. Ya., Liura, O. P., Sabadash, I. O., & Ostrovka, I. I. (2018). Method for Recognition and Identification of Load Surges and Ground Faults in High-Voltage Power Transmission Lines. Scientific Bulletin of UNFU, 28(1), 79-84. https://doi.org/10.15421/40280116
Методику вщнесення елемента до якого-небудь образу називають виршальним правилом. Ще одне важ-ливе поняття - метрика, споаб визначення вiдстанi мiж елементами ушверсально! множини. Чим менша ця вщ-стань, тим бшьш схожими е об'екти (символи, звуки та ш.) - те, що ми розпiзнаемо. Зазвичай елементи зада-ються у виглядi набору чисел, а метрика - у виглядi функцп. Вiд вибору представления образiв i реал1зацп метрики залежить ефектившсть програми, один алгоритм розтзнавання з рiзними метриками буде помиля-тись з рiзною частотою.
Образи можуть бути представленi бiнарними та ба-гаторiвневими векторними кодами, двовимiрними та
багатовимiрними матрицями згiдно з виразами (Liura et al., 2016):
a11 a12
Qx = (an-ban-2,---,ai,---,a0) , Qxx =
a21 a22
а1т а2т
Qxxx =
an1
Вибiр способу кодування o6pa3iB впливае на обчис-лювальну та апаратну складнiсть ix розпiзнaвaння, що враховуеться тд час розв'язання конкретних задач розтзнавання та щентифшацп обрaзiв.
Загальну структуру системи розпiзнaвaння та етапи в процеа ii розроблення показано на рис. 1 (Zavediuk, Franko & Liura, 2015).
Рис. 1. Структура системи розтзнавання
Класично видiляють так1 методи розпiзнавания об-разiв: перебору, в цьому випадку проводиться порiв-ияния з базою даних, де для кожного виду об'екпв представлен всi можливi модифтацп ввдображення; аналiз та диференцiацiя компоненпв образу; викорис-тання штучних нейронних мереж.
Метод перебору характеризуеться найбшьшою об-числювальною та часовою складтстю i може застосо-вуватись в тому випадку, коли число клаав образу е сшнченне, тобто не перевищуе заданого числа.
Метод аналiзу та диферентацп компонентiв образу характеризуеться полiномiальною складнiстю, грунту-еться на теорп моделювання в байеавському пiдходi та в застосуваннi кодових вiддалiв Хеммiнгового простору. Метод використання штучних нейронних мереж грунтуеться на принципах навчання та рекурсивно! асимптотично! складностi.
Методи на основi використання генетичних алго-ритмiв, як1 базуються на принципах еволюцшного по-шуку й поеднують комп'ютерне моделювання генетич-них процеав у природних i штучних системах.
Важливим компонентом методiв та шформацшних технологiй розпiзнавания образiв е попередне !х оброб-лення та перетворення, до яких належать таш методи: алгебрачний; кореляцiйний; структурний; спектраль-ний; геометричний; на базi нечггких множин; статис-тичний; просторово зв'язаних процесiв.
Формалiзацiя ввдомих методiв розтзнавання образiв описуеться таким функцiоналом (Zadeh, 1975):
нак) може бути деяка величина dij, яка задовольняе таш аксюми:
1. О (позитившсть вщсташ);
2. <,><■,■ (симетр1я);
3. <,+<к> <<к (нер1вшсть трикутника);
4. Якщо <у не дор1внюе 0, то i не дор1внюе, (розр1знюва-шсть нетотожних об'екпв);
5. Якщо <¡,=0, то i=j (нероздшьшсть тотожних об'екпв). Нерiдко замiсть звичайно! Евклщово! вiдстанi вико-
ристовують И квадрат <¡2. О^м цього, часто викорис-товують "зважену" Евклвдову вщстань, пiд час обчис-лення яко! для окремих доданк1в застосовують ваговi коефiцiенти.
Дуже нагадуе вираз для Евклвдово! вiдстанi так звана узагальнена ступенева вщстань Мiнковського, в яшй у ступенях замiсть двшки використовуеться iнша величина. У загальному випадку цю величину позначають символом "р".
При р=2 отримують звичайну Евклiдову вiдстань. Отже, вираз для узагальнено! метрики Мiнковського матиме такий вигляд (Zadeh, 1975):
du
Z( Xik - xjk)
k =1
де: - значення Евклщово! вiдстанi м1ж ¡-тим i ,-тим об'ектами; хк - чисельне значення к-то! ознаки для ¡-го об'екта; х,к - чисельне значення к-то! ознаки для ,-го об'екта; г - шльшсть ознак, якими описуються об'екти.
З кластерного аналiзу вiдомо, що "вiдстанню мiж об'ектами" (тобто мiрою схожостi, близькосп об'ектiв мiж собою за ваею сукупнiстю використовуваних оз-
dij = Р Ё|Xk- xjk\p . \k=1
Вибiр конкретного значення ступеневого показника "р" проводить сам дослвдник. Окремим випадком ввдстат Мтковського е так звана манхеттенська ввдстань або "ввд-стань мюьких кварталiв" (city-block), що вщповщае р=1
z
dij = ^ | xik — Xjk\ .
k=1
Отже, манхеттенська вщстань е сумою модулiв pi3-ниць вщповвдних ознак об'екпв. Спрямувавши р до нес-шнченносп, отримаемо метрику "домiнування" або Sup-метрику
dj = ?Z|xk-xjk\т , \k=i
яку можна також подати у такому компактному виглядi
dij = max|Xik - Xjk\.
Метрика Мшковського фактично е великим амей-ством метрик, що включае i популярнiшi метрики. Про-те юнують i методи обчислення вiдстанi мiж об'ектами, що принципово вiдрiзняються вщ метрик Мшковсько-го. Важливiшою з них е так звана вщстань Махаланобь са, яка мае достатньо специфiчнi власгивостi. Вираз для ще! метрики такий:
¿Р = (X - X, )TS-1 (X, - Xр).
Тут через X, i X, позначено вектор-стовпцi значень змшних для г-го i р-го об'екпв. Символ т у виразi
(Xi - Хр)т означае операцш транспонування вектора.
Символом S позначено загальну внутрiшньогрупову дисперсiйно-коварiацiйну матрицю. А позначення ^ означае, що це обернена матриця до матриц S (Gorelik & Skripkin, 1984). На вщмшу вiд метрики Мшковського i Евклщово! метрики, вiдстань Махаланобюа через матрицю дисперсiй-коварiацiй S пов'язана з кореляцiями змiнних. Коли кореляцп мiж змiнними дорiвнюють нулю, вщстань Махаланобiса еквiвалентна квадрату Ев-клвдово! вiдстанi.
У разi використання дихотомiчних (що мають всьо-го два значения) як1сних ознак широко використо-вуеться вiдстань Хеммжа
г
¿гр = ^ | хгк — хрк\ ,
к=1
що дорiвнюе числу незбтв значень вiдповiдиих ознак для цих г-го i р-го об'ектiв.
Ця оцiнка Хеммшгово! вiддалi у лшшному просторi е теоретичною основою i дае змогу розробити ефектив-ний штегрально^зницевий метод щентифшацп наки-дiв i коротких замикань у високовольтних ЛЕП на осно-вi цифрового опрацювання гармонiчних сигналiв.
2. Метод штегрального диферемщальмо^змице-вого розшзмаваммя наки.мв. Розглянемо запропонова-нi моделi накиду та коротких замикань у ЛЕП (рис. 2-4) (Ьшгайа!., 2016, 2017).
Рис. 2. Модель накиду струму тд час включення у момент t0 потужного споживача
Рис. 3. Характеристика розтзнавання та щентифжаци "накиду" навантаження в електромереж!
Рис. 4. Характеристика розтзнавання та щентифжаци короткого замикання в електромережах без спотворення гармотчного сигналу
Характерними ознаками накиду е:
1. Незмттсть яюсних характеристик гармотчного сигналу при t < t0 та t > t0;
2. Стрибок струму у будь-який момент фази струму вщ значення Ay (t<t0) до значення A2 (t>t0). (Цей стрибок може на 1-2 порядки перевищувати початкове значення А).
3. До накиду чи спаду навантаження амплгтуди струм!в е постшт, тобто
■ накид Ay = const; A2 = const; Ay << A2;
■ спад Ay = const; A2 = const ; Ay >> A2 .
Задача розтзнавання такого збурення у ЛЕП може бути устшно розв'язана цифровим опрацюванням гар-мотчних сигнал!в Xi = Ai cos®0t зпдно з наступним алгоритмом, коли на виход! АЦП на !нтервал! одного пе-рюду гармотчного сигналу формуеться потш цифро-вих центрованих вщлшв (xb x2,.......xi......xn), де:
Mx
1 n
=- Z Xi = 0; nt=1
-A < x, < A .
Для спрощення розв'язання задачi подамо .г у виг-лядi |х|, тобто це можна зробити на виходi АЦП шляхом ввдкидання знаку або до входу АЦП шляхом вип-рямлення гармонiчного сигналу |х|.
Опрацювання даних тако! моделi виконуеться з кро-ком Аг = п / 2, тобто у ковзному режимi через швперюд гармонiчного сигналу.
Для виконання рiзницевого iмпульсно-квадратично-го методу необхвдно рекурентно (у стековому режимi) запам'ятовувати цифровi вiдлiки хг у регiстрi пам'ятi
Xi ^ xi-1 ^ X,- 2... ^ Xi- j... ^ ;
i р!зницево пор!внювати
ц заиам'ятоват значення з поточними вщтками xi. Тобто, зпдно з! схемою
^ xi ^ xi-1 ^ x,-2... ^ xi-
. ^ xi-n ^^ xi
Це означае, що оператя ввдтмання буде виконува-тися над даними гармотчного сигналу у наступт мо-менти, змщеш на п / 2 .
У результат! виконання тако! операцп у ковзному режим! з кроком At отримаемо Zi = |x; - xi-n\, де модуль-
на операщя враховуе симетрш змши амплгтуд струм!в у напрям! зростання при накид! та спадання при скид! навантаження в електромереж!
При цьому реакц!я процесора буде мати зм!ну ам-плгтуди струму в момент стрибка: A1 ^ A2; A1 << A2 на !нтервал! п!впер!оду, але е !нвар!антна до можливих !н-ших б!льших чи менших стрибк!в ампл!туди струму в !нш! моменти часу, тобто '0, t < t0;
Zi = (A2 - A1)sin®t,t0 < t < t + п / 2. 0,t > t0 + п/2.
Експериментальн! досл!дження та реестрац!я збу-рень в електромережах за допомогою пристро1в "Альтра" та 1х модифшацш показують, що в раз! виник-нення коротких замикань р!зно! природи спостер!-гаеться наближення до експоненц!ального затухання або спотворення форми гармон!чного сигналу на к!ль-кох пер!одах синусо!ди струму на !нтервал! часу t > t0.
Виникають такого роду збурення в електромережах у результат! р!зницево-!мпульсного опрацювання гар-мошчних сигнал!в в окол! часу t0. На основ! запропоно-
-n
x
i-n
ваного модульно^зницевого методу факт виникнення збурення в електромереж1 буде зареестрований на ш-тервалi часу ^ + п / 2 або навиъ на iнтервалi t0 + п / 4.
Виникнення короткого замикання згiдно з розробле-ним методом можна щентифжувати на iнтервалi часу t0 + п/ 4<^ + п/ 2<t0 +п , тобто на iнтервалi чвертъ або швперюду пiсля реестрацп збурення в електромереж1.
Для тдвищення чутливостi та дозволено! здатносп щентифжацп факту короткого замикання на початковш стадп його розвитку, а також спрощення алгоритму об-численъ та структури спецпроцесора, на iнтервалi часу t > ^ + п / 2 доцшьно застосувати квадратично^мпульс-ний метод цифрового опрацювання даних Zi зпдно з таким логiчним виразом
-1, якщо Z12(г > г0 + п / 2) > Р0;
^К.З. = 1 о
|0,якщо Z2(t > 10 + п /2) <Р0, де: Р0 - порогове значения, яке вибираетъся експер-тним шляхом або у процеа багаторазових випробувань на реальних прикладах. Цей пор^ Р0 е iнварiантний до величини стрибка струму А2 >> А1 = var, тобто не зале-жить вiд можливо! рiзницi А = | А2 - Л^ у момент виникнення збурення г0. Осшльки у випадку накиду коефь цiент експоненти ах 0 i на iнтервалi часу г0 > г0 + п / 2 ^ х 0.
Виникнення короткого замикання згiдно з розробле-ним методом (рис. 5) можна щентифшувати на iнтерва-лi часу г0 + п/ 4<г0 + п/ 2<г0 + п , тобто на iнтервалi чверть або швперюду тсля реестрацп збурення в елек-тромсрсжч.
саме, призначений для формування унiтарного коду цифрових вiдлiкiв фазного струму. Тому зпдно iз кла-сифiкацiею рiзних типiв АЦП, як такий компонент до-цiлъно вибрати АЦП розгорнутого типу, структуру яко-го подано на рис. 6.
их г-^1
Рис. 5. Часова продукцiйна модель виявлення, розтзнавання та щентифжацп збурень в електромережах типу накиду та короткого замикання
3. Дослщжеммя апаратноТ та часовоТ складност1 цифрових компонент1в пристрою релейного захисту .liiiiii електропередач. Зпдно 3Í структурою пристрою, запропонованого у робоп (Liura & Vozna, 2017), його базовими компонентами е: аналого-цифровий перетво-рювач (АЦП) (6); багаторозрядний репстр зсуву (БРЗ) (8); лопчний елемент "Виключаюче АБО" (7); спецпро-цесор обчислення порогових значень штегрально" !м-пульсно-квадратично' функцп (9); елемент пор1вняння з уставкою (3)
3.1. Структура та системм1 характеристики АЦП
Анал1з сучасних розробок АЦП показуе, що "х сис-темш характеристики складност! описуються характе-ристичним функцюналом (Kondalev et al., 1987)
SAЦП = F(m, v, к, M, H1, H2, S), де: m - число канал1в; v - швидкод!я; k - розрядшсть; M - буферна пам'ять; H1 - апаратна складшсть; H2 - ал-горштшчна складшсть; S - функцюнальш та !нтер-фейсш характеристики.
АЦП, як компонент пристрою релейного захисту ви-соковольтних ЛЕП, виконуе спещал1зоваш функцп, а
Рис. 6. Структура АЦП розгорнутого типу: Г - генератор iм-пульав; R - двшковий лiчильник базису Радемахера; ЦАП -цифро-аналоговий перетворювач; EX - калiбрований стутн-частий потенцiал; U - компаратор; & - лопчний елемент "I"; [xi] - число iмпульсний (унiтарний) код вхiдного потенщалу их; С - синхросигнал
Виб1р такого типу АЦП зумовлений його невисокою апаратною складшстю, а також ютотним спрощенням подальшого обчислення модульно" р!знищ \X¡ - Хн\ цифрових вщлшв на основ! лопчного елемента "Виключаюче АБО".
Робота АЦП виконуеться таким чином, у момент пе-реповнення розрядносп двшкового л1чильника R фор-муеться синхро1мпульс С, за допомогою якого вщбу-ваеться зчитування числа !мпульав [Х], яке вщповщае вим1ряному потенщалу Ux. У процеа генерування !м-пульав генератором Г, двшков! коди л1чильника R пе-ретворюються на виход! ЦАП у кал1брований стутнча-тий потенщал Ех, який пор1внюеться з потенщалом Ux у компаратор! К. Внаслщок - на виход! компаратора К формуеться широтно-!мпульсно-модульований (Ш1М) сигнал, який скануеться !мпульсами високочастотного генератора Г. Отже, на виход! лопчного елемента "I", на штервал! дискретизацп At формуеться пачка !мпуль-с!в у вигляд! ун!тарного коду [Х].
Апаратну складн!сть пристрою визначають зг!дно з виразом
n
A = Z Ai,
i=1
де Ai - апаратна складшсть компоненпв.
Експертш оц!нки апаратно" складност! компонент!в цифрових пристро'в систематизовано у робот! (Nykola-ichuk, Vozna & Pitukh, 2010). Зг!дно з експертними ощнками апаратно" складност! компонент!в цифрових пристро'в апаратна складн!сть такого типу АЦП стано-вить
ААЦП = (АГ+АХ+АЦАП+АК+AV+AZ+AT) = 34и.
Часова складн!сть цифрового пристрою визна-чаеться сумарною затримкою сигнал!в у найдовшому ланцюжку послщовно з'еднаних його компонент!в зг!д-но з виразом
m
t = Ztj ,
j=1
де: Tj - часова затримка сигналу у компонент!; m - число компоненпв. Часова складн!сть АЦП розгорнутого типу визначаеться розрядшстю К двшкового л!чильни-ка R i становить тАцП = 2к . Наприклад, за тестово" час-тоти генератора 1мГ i розрядност! л!чильника R, К=8,
швидкодiя такого АЦП, яка обумовлена часовою склад-шстю 2К, буде дорiвнювати
V = 106/256 = 4096 (цифрових вщлшв) або 4096/50 = 82 - цифровi вiдлiки на один перюд промислово! частоти.
Шляхом збiльшения частоти генератора iмпульсiв до 10 мГ вщповщно буде отримано до 820 - цифрових вщлЫв [х,] на один перюд промислово! частоти.
3.2. Структура та системнi характеристики бага-торозрядмого регктра зсуву (БРЗ)
БРЗ у пристро! релейного захисту високовольтних ЛЕП призначений для затримання на певне число (р) мiкротактiв на пiвперiодi промислово! частоти 50 Гц цифрових вщтюв модульних значень фазного струму |хг_р|. Цi оцифроваиi значення у виглядi унiтарних кодiв на виходi БРЗ порiвнюються з поточними оцифровани-ми значеннями фазного струму |х,| у логiчному елементi "Виключаюче АБО", на виходi якого формуються уш-тарнi коди модульних рiзниць |х, - х1р\.
Реалiзацiю БРЗ унпарних кодiв, яка виконуеться на ба и синхрошзованих 0-тригср1в. зображено на рис. 7. М-
т,
J
Д
T2
'C
...Л
с
-[х-2к]
J
Рис. 8. Принципова схема БРЗ зсуву уштарних кодгв на D-три-герах
Класичну мiкроелектронну реалiзацiю логiчного елемента "Виключаюче АБО" зображено на рис. 9 (Shi-
1о, 1987).
Аналiз часово! та апаратно! складностi цього елемента показуе, що часова складшсть тЛЕ = 3v, а апарат-на складнiсть A=5v.
Ця реалiзацiя логiчного елемента характеризуеться значною апаратною та часовою складнiстю. Шд час ви-користання вхвдних парафазних сигналiв структура елемента "Виключаюче АБО" спрощуеться i реалiзуеться на основi двох логiчних елементiв "1-НЕ" з об'еднаними виходами, як1 реалiзують логiчний елемент "Проввдне АБО" (рис. 10).
Незважаючи на високу швидкодш тако! реалiзацi! логiчного елемента "Виключаюче АБО", його структура мае функцюнальш обмеження, зумовленi необхщшс-тю формування вхвдних парафазних сигналiв.
На рис. 11 зображено структурну реалiзацiю швид-кодiючого логiчного елемента "Виключаюче АБО" на основi двох лопчних елементiв "1-НЕ" та "АБО" з об'еднаними виходами (Krulikovskyi et al., 2017). Апа-ратна складнiсть такого елемента A = 2и, а часова складшсть тЛЕ = 1и мiкротакт.
Ъ
Рис. 7. Структура БРЗ: Rj - репстр зсуву; Sx - синхрошзащя D-тригер!в
Принципову схему компонента БРЗ - репстра зсуву на D-тригерах (11,,) зображено на рис. 8.
м-—
Рис. 10. Структура лопчного елемента "Виключаюче АБО" на основi вх1дних парафазних сигналгв та об'еднання iнверсних виходiв елементiв "1-НЕ"
Розрахунок апаратно! складностi такого БРЗ виконуеться зпдно з виразом
А6р3 = 2K • m • At, де: 2K - розряднiсть унiтарного коду [х,]; m - число цифрових вiдлiкiв [х,] на iнтервалi пiвперiоду промислово! частоти; AT - апаратна складшсть D-тригера.
При К = 8, m = 41 i AT = 2 отримаемо А6рз = 21000 V. Оцшка часово! складносп визначаеться швид-кодiею переключения D-тригера i не залежить вiд роз-рядностi БРЗ i складае т БРЗ = 2 v - мiкротакти. 3.3. Логiчний елемент "Виключаюче АБО" Лопчний елемент "Виключаюче АБО" виконуе ло-гiчну операцiю додавання двох сигналiв за модулем 2: c = a © b i мае так! позначення:
Рис. 9. Структура елемента "Виключаюче АБО" на лопчних елементах "I", "АБО", "НЕ"
Рис. 11. Структура лопчного елемента "Виключаюче АБО" на основ! лопчних елеменпв" 1-НЕ" та "АБО" з об'еднаними виходами
Висновки. Розроблено теоретичш засади та запро-поновано спос!б опрацювання та розп!знавання накид!в ! коротких замикань у ЛЕП на основ! цифрового опра-цювання сигнал!в. Дослвджено структурну реал!зацш, апаратну та часову складн!сть м!кроелектронних еле-менпв пристрою релейного захисту високовольтних ЛЕП.
Перелш використаних джерел
Gorelik, A. L., & Skripkin, V. A. (1984). Metody raspoznavaniia.
Moscow: Vysshaia shkola. 207 p. [In Russian]. Kondalev, A. I., et al. (1987). Vysokoproizvoditelnye preobrazovateli
formy informatcii. Kyiv: Naukova dumka. 280 p. [In Russian]. Krulikovskyi, B., Davletova, A., Gryga, V., & Nykolaichuk, Ya. (2017). Synthesis of Components of High Performance Special Processors of Execution of Arithmetic and Logical Operations Data Processing in Theoretical and Numerical Basis Rademacher. 14th International Conference The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics (CADSM), 214-217. Lviv.
Liura, O. P., & Vozna, N. Ya. (2017). Research and optimization of the components of microelectronic devices of relay in high-voltage lines. Scientific Bulletin of UNFU, 27(5), 148-154. [In Ukrainian]. https://doi.org/10.15421/40270529 Liura, O., Sabadash, I., Vozna, N., & Ostrovka, I. (2017). Project of structural solutions and components of special processor of relay
protection in high-voltage lines of electricity transmission / Proceedings of XIIIth International Conference Perspective Technologies and Methods in MEMS Design: MEMSTECH'2017, 70-73. Lviv.
Liura, O., Ostrovka, I., Sabadash, I., & Nykolaichuk, Ya. (2016). Theoretical Principles and Methods of Distortions Recognition in Load Surges, Short Circuits and Powerful Electric Drives Launching Type Power Lines. Proceedings of the XIII the International Conference TCSET'2016, 33-36. Lviv.
Nykolaichuk, Ya. M., Vozna, N. Ya., & Pitukh, I. R. (2010). Proektu-vannia spetsializovanykh kompiuternykh system. Ternopil: TzOV "Terno-hraf1. 392 p. [In Ukrainian].
Н. Я. Возна1, О. П. Люра2, И. А. Сабадаш3, И. И. Островка3
1 Тернопольский национальный экономический университет, г. Тернополь, Украина 2 Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, г. Ивано-Франковск, Украина
3 Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина
МЕТОД РАСПОЗНАВАНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ НАКИДОВ И ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Изложены теоретические основы методов распознавания образов на основе алгебраического, структурного, геометрического, статистического, корреляционного, спектрального анализов и обоснованы их системные характеристики. Предложен дифференциально-разностный метод распознавания накидов и замыканий на землю, который выполняется согласно алгоритму обработки цифровых гармонических сигналов, включая: формирование цифрограмм фазных токов с постоянным шагом дискретизации и квантирования, которые анализируются в квадратичном пространстве на интервале одного полупериода гармоничной частоты. Исследованы структуры и системные характеристики следующих компонентов устройства распознавания накидов и замыканий на землю: АЦП развернутого типа, многоразрядного регистра сдвига, структуры логических элементов "Исключительное ИЛИ", цифрового умножителя и спецпроцессора вычисления порогового значения им-пульсно-квадратичной функции, который идентифицирует накид или замыкание на землю. Изложена информационная технология проектирования структурных решений спецпроцессора релейной защиты высоковольтных линий электропередач. Систематизированы существующие средства релейной защиты на основе аппаратных и программно-аппаратных микропроцессорных контроллеров цифровой защиты. Классифицированы компоненты спецпроцессора и обоснованы их характеристики, ориентированные на линии электропередач 6 кВ. Продемонстрированы временные диаграммы выпрямленных значений фазных напряжений, тока и разности фаз Аф при накиде, коротком замыкании и запуске мощных электродвигателей в высоковольтных ЛЭП.
Ключевые слова: диагностирование; накид; короткое замыкание; электрическое оборудование; спецпроцессор.
N. Ya. Vozna1, O. P. Liura2,1. O. Sabadash3,1.1. Ostrovka3
1 Ternopil National Economic University, Ternopil, Ukraine 2 Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, Ukraine
3 Lviv Polytechnic National University, Lviv, Ukraine
METHOD FOR RECOGNITION AND IDENTIFICATION OF LOAD SURGES AND GROUND
FAULTS IN HIGH-VOLTAGE POWER TRANSMISSION LINES
Theoretical principles of image recognition methods based on algebraic, structural, geometric, statistical, correlation and spectral analyses are highlighted; their systemic characteristics are substantiated. It is shown that the most effective of these methods are the methods of estimation of the Euclidean and Hamming distances, which are simpler while implementing compared with the metrics of Minkowski, Mahalanobis, Rogers-Tanimoto, Jaccard, Gower, Zhuravliov, Voronin, Mirkin, Bray-Curtis and others. The differential-difference method for recognition of load surges and ground faults is proposed. It is implemented according to the algorithm for digital harmonic signal processing, which includes building digitograms of phase currents with a constant sampling and quantization step, which are analysed in quadratic space with half-period interval of harmonic frequency. In addition, the quality of the harmonic signal remains unchanged both before and after short circuit, as after the load surge the amplitudes of the phase currents are increased without distorting their harmonic signals. In case of ground fault, there is the amplitude jump in the phase current and a significant distortion of the harmonic signal with the interval of several periods and with an exponential component of power damping. Structural and system characteristics of the following components (analog-to-digital converter, the multi-bit shift register, the structure of the logical elements "Exclusive OR", digital multiplier and special processor for calculating the threshold value of the pulse-quadratic function, which identifies load surges and ground fault) of the device for load surges and ground fault recognition are explored. The information technology for designing structural solutions of special processor of relay protection of high-voltage power transmission lines is described. The existing relay protection means based on hardware and software-hardware microprocessor controllers of digital security are systemized. The components of the special processor are classified and their characteristics related to 6 kV power transmission lines are substantiated. The time diagrams of the rectified values of voltage phase, current and load surges phase difference Аф, short circuits and powerful electric motors launching in high voltage power transmission lines are shown.
Keywords: recognition; load surges; ground fault; short circuit; electric motors; analog-to-digital converter; recognition device.
Shilo, V. L. (1987). Populiarnye tcifrove mikroskhemy. Moscow: Radio i sviaz. 352 p. [In Russian].
Zadeh, L. A. (1975). The concept of linguistic variable and its application to approximate reasoning. Information Sciences, 8, 199-249.
Zavediuk, T., Franko, Y., & Liura, O. (2015). Computer technologies in information security. In edited by Valeriy Zadiraka, Yaroslav Nykolaichuk Recognition of images based on special processors with neural components, (pp. 299-313). Ternopil: Kart-blansh.
