Быстродействующий метод определения амплитуды сигнала в микропроцессорных системах автоматизации и управления при колебаниях частоты

Abstract

В микропроцессорных системах автоматизации и управления в качестве информационных параметров контролируемых величин широко используются амплитудные (действующие) значения основной гармоники входных сигналов. Наиболее часто они определяются по выборкам одной или пары ортогональных составляющих сигнала, для формирования которых преимущественно применяются цифровые фильтры Фурье и их модификации. При номинальной частоте в энергосистеме указанные фильтры обеспечивают достоверное получение амплитуды сигнала без дополнительной погрешности. В случае отклонения частоты от номинальной количество выборок за период сигнала не является целым числом и дискретизация становится асинхронной. Вследствие этого в амплитуде сигнала появляется соответствующая погрешность, а ее изменение приобретает колебательный характер. При незначительных колебаниях частоты в нормальном режиме погрешность амплитуды несущественна. Однако в анормальных ситуациях частота может иметь значительные вариации. При этом в критических ситуациях не исключены отказ систем автоматизации и управления, а также некорректная работа их функциональных алгоритмов. Известные методы определения амплитуды сигнала при колебаниях частоты обеспечивают решение имеющейся проблемы, однако отличаются невысоким быстродействием. Предлагаемый быстродействующий метод определения амплитуды при колебаниях частоты ориентирован на использование в качестве исходной информации выборок мгновенных значений косинусной ортогональной составляющей сигнала, которые формируются с помощью соответствующего цифрового фильтра Фурье. По указанным выборкам рассчитываются динамические косинус и синус угла одной выборки, использование которых при вычислении амплитуды обеспечивает ее независимость от частоты. Обработка полученной амплитуды усилительным элементом с нелинейным коэффициентом позволяет достичь приемлемого быстродействия. Оценка эффективности предложенного решения выполнялась методом вычислительного эксперимента с помощью цифровой модели, реализованной в среде динамического моделирования MATLAB-Simulink. В качестве тестовых воздействий при этом использовались как синусоидальные входные сигналы, так и сложные, приближенные к реальным вторичным сигналам измерительных трансформаторов. В результате исследований установлено, что предлагаемый метод определения амплитуды при колебаниях частоты имеет быстродействие на уровне четверти периода и обеспечивает эффективное устранение частотной погрешности как в нагрузочных режимах, так и в режимах повреждений.