專(zhuān)利名稱(chēng)：基于電力系統(tǒng)頻率的自適應(yīng)采樣率的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于系統(tǒng)參數(shù)分析的采樣率與系統(tǒng)頻率的同步。具體講，本發(fā)明涉及配電系統(tǒng)的采樣率與電力系統(tǒng)的頻率的同步。
電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置和設(shè)備通常是按基于采樣的電流和電壓的付立葉分析的保護(hù)算法來(lái)運(yùn)作的。一種可能的方案是，捕捉64倍于電力系統(tǒng)周期的電力系統(tǒng)的電流和電壓的瞬時(shí)值或采樣，并對(duì)該采樣進(jìn)行短期付立葉變換。該種計(jì)算以每8個(gè)采樣周期實(shí)時(shí)地刷新。
付立葉算法的精度密切依賴(lài)于采樣率和電力系統(tǒng)頻率之間同步的程度。但電力系統(tǒng)的頻率是動(dòng)態(tài)的。例如，在正常負(fù)載條件下，電力系統(tǒng)的頻率可偏離標(biāo)稱(chēng)值(例如北美的60Hz、歐洲及其它地區(qū)的50Hz)高達(dá)1Hz。在嚴(yán)重過(guò)載情況下，當(dāng)保護(hù)處于臨界時(shí)，其頻率在短至1秒內(nèi)低過(guò)標(biāo)稱(chēng)值多達(dá)10Hz。在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，頻率可在少于3秒之內(nèi)從0Hz變到標(biāo)稱(chēng)值。在突然失載時(shí)，頻率可過(guò)沖多達(dá)標(biāo)稱(chēng)值的1.5倍。為了保持付立葉變換計(jì)算的精度，以及保護(hù)的可靠性，急需調(diào)整采樣的頻率。
已知的用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)采樣率的技術(shù)依賴(lài)于生成濾波和平方的電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)、對(duì)電流和電壓信號(hào)過(guò)零頻率的計(jì)數(shù)、以及在電力系統(tǒng)周期數(shù)上過(guò)零數(shù)平均值。但此技術(shù)因各種原因而不能使精度足夠高。例如反轉(zhuǎn)(即在過(guò)零之前大致正弦的曲線本身反轉(zhuǎn))必定要導(dǎo)致1/2周期的延時(shí)，且會(huì)因在未達(dá)致一定頻率的狀態(tài)由過(guò)零算法而導(dǎo)致誤判。另外，瞬變和相移可導(dǎo)致“假”過(guò)零。此外，用于檢測(cè)過(guò)零的濾波和平方電路可以抖晃的形式將噪聲引入信號(hào)之中，導(dǎo)致額外的誤差。另一依賴(lài)平均值的缺點(diǎn)是，平均計(jì)算是在較慢的同步特性中得到的結(jié)果。
美國(guó)專(zhuān)利US5832414、5832413和5721689公開(kāi)了一種發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)和用于在數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)中矢量估算和頻率跟蹤的方法。該方法使用可變N點(diǎn)離散付立葉變換(DFT)根據(jù)從采樣的信號(hào)中所獲的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算矢量。在每個(gè)采樣間隔，用電流與前一矢量角之間的矢量角中的改變來(lái)估計(jì)信號(hào)的瞬時(shí)頻率。在一信號(hào)周期上將瞬時(shí)頻率平均而產(chǎn)生平均周期頻率。此外，限定基于固定采樣頻率和信號(hào)的預(yù)定基頻的多個(gè)離散頻率和對(duì)應(yīng)的DFT窗口并用以估算瞬時(shí)頻率。一旦確定了平均周期頻率，通過(guò)將DFT窗口設(shè)定為等于對(duì)應(yīng)于最接近平均周期頻率的離散頻率的DFT窗口而對(duì)其加以調(diào)節(jié)。這些專(zhuān)利并沒(méi)有適當(dāng)?shù)卣摷跋惹坝懻摰膯?wèn)題。
美國(guó)專(zhuān)利5671112和5805395公開(kāi)了根據(jù)DFT技術(shù)獨(dú)立于常規(guī)頻率跟蹤和矢量估計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的V/Hz值測(cè)量和發(fā)電機(jī)/變壓器過(guò)激保護(hù)的誤差時(shí)間確定。根據(jù)US5671112專(zhuān)利，采樣的正弦電壓信號(hào)通過(guò)數(shù)字積分器，且積分器輸出的幅度被作為V/Hz比值而測(cè)出。數(shù)字積分器在發(fā)電機(jī)保護(hù)單元中用不同的方程以軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采樣頻率可變時(shí)，在每次采樣頻率改變時(shí)重新計(jì)算數(shù)字積分器的濾波系數(shù)，并利用重新計(jì)算的濾波器系數(shù)來(lái)計(jì)算數(shù)字積分器的輸出的峰值幅度的新值。
根據(jù)US5805395專(zhuān)利，它利用了非遞歸數(shù)字技術(shù)，它通過(guò)將正弦輸入信號(hào)的每半個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)求和并將此和被理想基值和來(lái)除，來(lái)測(cè)出每單位V/Hz值。當(dāng)以合理的頻率對(duì)輸入電壓信號(hào)采樣后，所公開(kāi)的技術(shù)不用分別計(jì)算電壓和頻率就可近似獲得輸入電壓信號(hào)的每單位V/Hz值。這兩個(gè)專(zhuān)利US 5671112和5805395都沒(méi)有適當(dāng)?shù)仃U明上述問(wèn)題。
鑒于以上的討論，需要改進(jìn)電力系統(tǒng)保護(hù)裝置的采樣率與電力系統(tǒng)頻率的同步。還需要能鑒別瞬變和真實(shí)頻率的情況，在真實(shí)頻率的情況下正確地調(diào)節(jié)采樣率的同時(shí)使瞬變不會(huì)反過(guò)來(lái)影響采樣率。本發(fā)明克服了已有技術(shù)中的問(wèn)題，并因具備了調(diào)節(jié)電力保護(hù)裝置的采樣率的技術(shù)而具有額外的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)示范實(shí)例，將采樣率調(diào)節(jié)到與電力系統(tǒng)的頻率相適配的方法包括步驟；進(jìn)行第一頻率計(jì)算；確定電力系統(tǒng)的頻率的第一和第二導(dǎo)數(shù)；從電力系統(tǒng)特性中確定正常第一導(dǎo)數(shù)、最大第一導(dǎo)數(shù)值和最大第二導(dǎo)數(shù)值；將第一和第二導(dǎo)數(shù)分別與第一和第二最大導(dǎo)數(shù)值相比較，并將第一導(dǎo)數(shù)與正常第一導(dǎo)數(shù)相比較；當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)數(shù)小于正常第一導(dǎo)數(shù)、或第一和第二導(dǎo)數(shù)都小于第一和第二最大導(dǎo)數(shù)時(shí)，則將第一頻率計(jì)算接受作為真值，并根據(jù)第一頻率計(jì)算調(diào)節(jié)采樣率。
本發(fā)明的技術(shù)與已有技術(shù)相比大大地改進(jìn)了同步、速度、精度以致保護(hù)性。


圖1是在電力系統(tǒng)中各種情況特征的表，它與實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)有關(guān)；圖2是一邏輯圖，表示本發(fā)明的一種實(shí)施方案；圖3為流程圖，表示實(shí)施本發(fā)明的一種方法；圖4表示信號(hào)流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的表示實(shí)際頻率的有效頻率范圍；圖5表示傳統(tǒng)技術(shù)的頻率跟蹤特性與根據(jù)本發(fā)明的示范技術(shù)間的比較；以及圖6為適于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的保護(hù)繼電器的方框圖。
現(xiàn)在參看圖1，該表示出與諸如正常負(fù)荷、重過(guò)荷和發(fā)電機(jī)啟動(dòng)或失載時(shí)真實(shí)頻率相比出現(xiàn)的最小和最大極限、變化方向、變化率和瞬變/噪聲改變過(guò)程。由于所研究的輸入(電力系統(tǒng)頻率)在一個(gè)時(shí)間上是一種量，因此大多數(shù)所研究的特性都是與量變有關(guān)。從表中可見(jiàn)，真實(shí)頻率情況的特性在于在周期中變化較慢或在周期中變化較快但卻具有在一個(gè)方向上可辨的朝向(例如增加或減少)。根據(jù)本發(fā)明，這些特征可被用來(lái)分辨真實(shí)頻率情況與瞬變或噪聲，它的特征可以是較快、在周期中改變不穩(wěn)定(即表現(xiàn)出沒(méi)有穩(wěn)定的可辨的朝向)。
現(xiàn)在看圖2，示出本發(fā)明實(shí)例的邏輯圖。在此例中，假定用于電力系統(tǒng)監(jiān)視或保護(hù)控制的保護(hù)繼電器或其它裝置具有微處理器、可編程邏輯、電路、或其它用于各種電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)比較的適用裝置。在圖2中，還假定Tn是第n次周期測(cè)量，fn=1/Tn是第n次頻率計(jì)算。
dfn/dt=(fn-fn-1)/Tn，為第n次頻率計(jì)算，且｜d2fn/dt2｜=[(dfn/dt)-(dfn-1/dt)]/Tn是第n次頻率加速的計(jì)算。此外，為實(shí)現(xiàn)圖2的邏輯方案，確定所有的頻率的情況下的最大頻率值(fmin和fmax)；確定分別在正常負(fù)載和任何頻率的情況下最大頻率變化率的情況下的最大頻率變化率(｜df/dt｜norm和｜df/dt｜max)，以及所有頻率情況下的最大頻率加速值｜d2fn/dt2｜max。利用比值可將圖2的邏輯方案描述如下邏輯與操作是用來(lái)確定是否第n個(gè)頻率變化率計(jì)算(｜dfn/dt｜)小于或等于最大頻率變化率值(條件12)，且第n個(gè)頻率加速計(jì)算(｜d2fn/dt2｜)小于或等于最大頻率加速度(條件14)。用狀態(tài)12和14作輸入的此第一與操作的結(jié)果隨后以第一輸入提供給邏輯或操作，邏輯或操作的其他輸入滿足dfn/dt對(duì)最大“正常狀態(tài)”頻率變化率(狀態(tài)16)的比。如果狀態(tài)16為真，或狀態(tài)12和14為真，如果fn是在fmin和fmax(狀態(tài)18)的范圍內(nèi)，則第n個(gè)頻率計(jì)算fn將作為真被接受(即作為正確的電力系統(tǒng)頻率)。
利用圖1所定下的實(shí)例性電力參數(shù)，適于圖2的邏輯方案的值可確定為fmin=2Hz·fmax=90Hz｜df/dt｜max=20Hz/秒所研究的其它值｜df/dt｜norm,｜d2fn/dt2｜max是基于電力系統(tǒng)的特性的。測(cè)試已確定，這些參數(shù)的適用值分別約為2-3Hz和3-5Hz/S2見(jiàn)圖3，其中描述了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。示例方法可以保護(hù)繼電器或其他電力控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，它具有適合編程的微處理器、可編程邏輯或電路，或與之相關(guān)地工作。該實(shí)例假定已為電力系統(tǒng)確定了適當(dāng)?shù)淖畲蠛妥钚≈?。?00步，由保護(hù)繼電器計(jì)算第一頻率以確定電力系統(tǒng)的頻率。在100步，確定所計(jì)算頻率的第一和第二導(dǎo)數(shù)。在104步，(由微處理器或其它適合的比較電路)進(jìn)行先前確定的閾值的比較以確定狀態(tài)12、14或16是否存在。在106步，確定第一頻率計(jì)算是否作為有效值被接受，即狀態(tài)16或狀態(tài)12和14是否存在，且計(jì)算的頻率值是否在預(yù)定范圍fmin-fmax內(nèi)。如果在106步確定第一頻率計(jì)算有效，則在108步根據(jù)需要調(diào)節(jié)保護(hù)繼電器的采樣頻率以跟蹤有效的第一頻率計(jì)算。如果在106步確定第一頻率計(jì)算無(wú)效，則第一頻率計(jì)算不被接受且重復(fù)進(jìn)行處理。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)際頻率情況下有效信號(hào)的信號(hào)流圖。從圖中所見(jiàn)，接受作為實(shí)際頻率情況表示的信號(hào)具有在fmin-fmax范圍內(nèi)的頻率，并具有小于閾值df/dtnorm的第一導(dǎo)數(shù)(df/dt)，或具有小于閾值df/dtmax的第一導(dǎo)數(shù)和小于閾值｜d2fn/dt2｜max的第二導(dǎo)數(shù)。
見(jiàn)圖5，其中示出了利用本發(fā)明實(shí)施例和傳統(tǒng)“平均”方法使保護(hù)繼電器的采樣率與電力系統(tǒng)頻率同步的頻率圖。在圖5中，電力系統(tǒng)頻率由波形52表示，傳統(tǒng)“平均”方法的特性由粗體波形54表示，本發(fā)明實(shí)施例的特性由些微成形基本恒定的線56來(lái)表示?？梢钥吹綄?shí)現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)的繼電器大大改進(jìn)了同步性，進(jìn)而大大改善了付立葉變換計(jì)算精度和保護(hù)繼電器的保護(hù)控制能力。具體可見(jiàn)圖5中的電流反向，例如在點(diǎn)58和60處出現(xiàn)的電流反向，在時(shí)間間隔62和64期間在傳統(tǒng)頻率跟蹤方案中產(chǎn)生失準(zhǔn)情況，而這些失準(zhǔn)卻被本發(fā)明示例的技術(shù)大體上消除了。
圖6示出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的保護(hù)繼電器的方框圖。繼電器66包括連接到配電系統(tǒng)70的連接口68。通過(guò)該口68，繼電器可感測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)(例如以數(shù)據(jù)采樣率采樣的系統(tǒng)數(shù)據(jù))，并在需要時(shí)提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)控制。繼電器66還包括適當(dāng)編程的微處理器72，它在執(zhí)行傳統(tǒng)的控制功能之外，還按參考圖3所描述的方法或其它方法將采樣頻率調(diào)節(jié)到配電系統(tǒng)的頻率上。在此情況下，微處理器72構(gòu)成了一個(gè)進(jìn)行保護(hù)控制功能和頻率跟蹤功能的示范性裝置。
盡管前文所述描寫(xiě)了各種細(xì)節(jié)，但也應(yīng)當(dāng)理解這些只是用于解釋的目的而非用作對(duì)本發(fā)明的限定。在不背離所附權(quán)利要求所要求的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可對(duì)具體實(shí)施例進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1．一種用于將在電力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的采樣率與電力系統(tǒng)的頻率相適配的方法，包括步驟進(jìn)行第一頻率計(jì)算(100)，以確定電力系統(tǒng)的頻率；確定電力系統(tǒng)的頻率的第一和第二導(dǎo)數(shù)(102)；將第一和第二導(dǎo)數(shù)(104)分別與第一和第二最大導(dǎo)數(shù)值比較，并將第一導(dǎo)數(shù)與正常的第一導(dǎo)數(shù)比較；以及若第一導(dǎo)數(shù)小于正常第一導(dǎo)數(shù)，或第一和第二導(dǎo)數(shù)都小于第一和第二最大導(dǎo)數(shù)，則將第一頻率計(jì)算作為真值(106)，并根據(jù)第一頻率計(jì)算來(lái)調(diào)節(jié)采樣率(108)。
2．如權(quán)利要求1的方法，其中第一最大導(dǎo)數(shù)約為20Hz/秒。
3．如權(quán)利要求1的方法，其中第一頻率計(jì)算約在2Hz至90Hz之間。
4．如權(quán)利要求1的方法，其中第一正常導(dǎo)數(shù)在約2Hz/秒至3Hz/秒之間。
5．如權(quán)利要求1的方法，其中最大第二導(dǎo)數(shù)約在3Hz/秒2至5Hz/秒2之間。
6．一種用于提供配電系統(tǒng)保護(hù)控制的保護(hù)繼電器(66)，包括可拆除地連接到端口分配系統(tǒng)(70)，以感測(cè)電力系統(tǒng)狀態(tài)并提供保護(hù)控制的端口(68)；以及與端口(68)相連的至少一個(gè)微處理器(72)，該編程的微處理器以數(shù)據(jù)采樣頻率對(duì)配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣，以確定配電系統(tǒng)的工作頻率、計(jì)算工作頻率的第一和第二導(dǎo)數(shù)、將計(jì)算出的導(dǎo)數(shù)與閾值相比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采樣頻率。
7．如權(quán)利要求6的保護(hù)繼電器，其中微處理器(72)將第一和第二導(dǎo)數(shù)分別與第一和第二最大導(dǎo)數(shù)值比較，并將第一導(dǎo)數(shù)與正常第一導(dǎo)數(shù)比較、根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)采樣頻率。
8．如權(quán)利要求7的保護(hù)繼電器，其中如果第一導(dǎo)數(shù)小于正常第一導(dǎo)數(shù)，或第一和第二導(dǎo)數(shù)都分別低于第一和第二最大導(dǎo)數(shù)時(shí)，繼電器調(diào)節(jié)采樣頻率。
9．如權(quán)利要求7的保護(hù)繼電器，其中第一最大導(dǎo)數(shù)約為20Hz/秒。
10．如權(quán)利要求7的保護(hù)繼電器，其中第一頻率計(jì)算是在2Hz至90Hz之間。
11．如權(quán)利要求7的保護(hù)繼電器，其中正常第一導(dǎo)數(shù)約為2Hz/秒至3Hz/秒。
12．如權(quán)利要求7的保護(hù)繼電器，其中最大第二導(dǎo)數(shù)約為3Hz/秒2至5Hz/秒2。
13．一種用于在配電系統(tǒng)中提供保護(hù)控制的保護(hù)繼電器，包括校正裝置(68)，用于使電器與配電系統(tǒng)相配合；用于通過(guò)在采樣頻率下的連接裝置感測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的處理裝置(72)，用于根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)通過(guò)連接裝置提供保護(hù)控制、并根據(jù)配電系統(tǒng)的工作頻率的第一和第二導(dǎo)數(shù)與閾值的比較來(lái)調(diào)節(jié)采樣頻率。
14．如權(quán)利要求13的保護(hù)繼電器，其中閾值包括第一和第二最大導(dǎo)數(shù)值和正常第一導(dǎo)數(shù)值。
15．如權(quán)利要求13的保護(hù)繼電器，其中第一最大導(dǎo)數(shù)約為20Hz/秒。
16．如權(quán)利要求13的保護(hù)繼電器，其中第一頻率計(jì)算是在約2Hz至90Hz之間。
17．如權(quán)利要求13的保護(hù)繼電器，其中正常第一導(dǎo)數(shù)約在2Hz/秒至3Hz/秒之間。
18．如權(quán)利要求13的保護(hù)繼電器，其中最大第二導(dǎo)數(shù)約在3Hz/秒2至5Hz/秒2之間。
全文摘要
一種用于將電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣的采樣頻率與電力系統(tǒng)(70)的頻率同步的方法(100—108)和系統(tǒng)。通過(guò)將第一第二導(dǎo)數(shù)與閾值相比較來(lái)調(diào)節(jié)采樣頻率。
文檔編號(hào)G01R23/16GK1302465SQ00800772
公開(kāi)日2001年7月4日 申請(qǐng)日期2000年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月5日
發(fā)明者A·庫(kù)利德吉安, R·莫雷 申請(qǐng)人:通用電氣公司