CN103392132A - 用于测量电网中的电量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种用于测量电网（EN）中的电量（EQ）的方法及系统。在不同时刻（t_i）在电网（EN）的不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处轮流测量电量（EQ）的样本，并且基于所测量的样本创建值序列（VS）。

Description

用于测量电网中的电量的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量电网中的电量的方法及系统。

背景技术

现今，公用事业公司致力于将所提供的电力的电力质量保持在特定的水平。公用事业公司还致力于对用户遭受长时间的停电进行偿还。其中相比先前出于网络保护和控制目的的需要，这些义务增加了对监视较高阶电流或电压谐波的需要、以及快速地定位电网中的故障位置以最小化供电的中断时间或防止由于偶然、初期故障而引起供电的总中断的积累。

现今用于配电网保护和控制的保护与控制IED（智能电子设备）具有非常适度的采样频率，通常在1kHz至2kHz之间。该采样频率适合以下目的：当前IED的大多数功能基于相量测量，根据如电网的零电压、零电流或相电流及电压等电量的标称频率分量来计算。对于计算测量信号的50Hz或60Hz分量，较高的采样频率实际上不会带来任何益处。

然而，对于监视较高阶谐波，1kHz至2kHz的采样频率可能过低。这也是用于故障定位目的的情况，尤其是当故障位置计算是基于出现在故障的早期阶段的瞬态现象时。可以用于接地故障定位目的的瞬态频率例如通常在100Hz至800Hz之间，即，明显处于在采样频率为2kHz时由奈奎斯特定理所限定的1kHz限制频率以下。因此当前所使用的2kHz采样频率理论上适用于瞬态分析，但是在实际中由于瞬态的持续时间非常短，通常仅有几毫秒，所以2kHz采样频率不适于获取足够的瞬态数据点来用于精确的故障位置计算。

为了测量较高阶谐波或为了从在故障的早期阶段出现的瞬态来测量较大量的瞬态数据点，可以增加智能电子设备的采样频率。然而，这会增加智能电子设备的成本，如果仅为了提供较高采样频率把像这些可用的智能电子设备用新智能电子设备代替，则成本的增加会上升到特别不可接受的水平。因此，为了实现例如涉及监视较高阶谐波或涉及通过较快的故障定位来最小化供电的中断时间的任务，应当提供用于提供适当的测量数据的其他方式。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种用于测量电网中的电量的新解决方案。

根据本发明的方法的特征在于：在不同时刻在所述电网的不同馈线或位置处轮流测量电量的样本，并且基于测量的样本来创建值序列，值序列中的单个值对应于测量的样本或基于至少一个测量的样本而计算的值，值序列中的值被布置成与测量的样本的时间顺序对应的顺序。

根据本发明的系统的特征在于：该系统包括布置在电网的不同馈线或位置处用于测量电网的电量的至少两个智能电子设备，每个智能电子设备被布置成相比任何其他智能电子设备在不同时刻轮流地测量电量的样本；并且系统包括布置成基于测量的样本来创建值序列的智能电子设备，值序列中的单个值对应于测量的样本或基于至少一个测量的样本而计算的值，值序列中的值被布置成与测量的样本的时间顺序对应的顺序。

在用于测量电网中的电量的方法中，在不同时刻在电网的不同馈线或位置处测量电量的样本。基于测量的样本创建值序列，其中值序列中的单个值对应于测量的样本或基于至少一个测量的样本而计算的值。值序列中的值被布置成与测量的样本的时间顺序对应的顺序。

通过在电网的不同馈线或位置处测量同一电量以使得电量的样本是在不同时刻在不同馈线处轮流取得的，所测量的电量的实际采样频率可以在不增加任何单独测量点的采样频率的情况下被增加。在硬件水平上，这意味着与包括所有的测量的样本或基于测量的样本计算的值的上述值序列相关的采样频率高于任何单独的智能电子设备的采样频率。因此可以在不增加任何单独的智能电子设备的采样频率的情况下增加测量的采样频率。

根据一种实施方式，测量同一电量的至少两个样本序列，以使得每个样本序列中的样本相比任何其他样本序列中的样本在电网的不同馈线处被测量并且使得不同样本序列中的样本在不同时刻一次一个样本地轮流被测量，以及基于样本序列中的样本来创建值序列，其中值序列中的单个值对应于样本序列中的样本或基于至少一个样本序列中的至少一个样本而计算的值，并且值序列中的值被布置成与样本序列中的样本的时间顺序对应的顺序。

附图说明

下面将参考附图并且借助于优选实施方式来更加详细地对本发明进行描述，其中：

图1是电站的示意性图示；

图2是智能电子设备的示意性图示；

图3是电网中的电量的测量原理的示意性图示；

图4是与涉及图3的测量原理的操作有关的示意性图示；

图5是变电站计算机的示意性图示；

图6和图7是电网中的电量的测量原理的示意性图示；

图8是智能电子设备的增益误差对信噪比的影响的示意性图示；

图9是智能电子设备的偏移误差对信噪比的影响的示意性图示；

图10是定时误差对信噪比的影响的示意性图示；

图11和图12是增益与定时误差对信噪比的影响的示意性图示；

图13是附加的智能电子设备对信噪比的影响的示意性图示；

图14至图17示意性地示出了与接地故障位置估计有关的采样频率的影响的示例。

具体实施方式

图1示意性地示出了通过虚线图示的电站（electric station）ES或变电站（substation）ES。图1的变电站1包括5条馈线，1条输入馈线F1和4条输出馈线F2、F3、F4和F5，馈线F1至F5组成了电网EN。为了清楚起见，在图1中示出了仅一个相，即，由每个馈线F1、F2、F3、F4或F5表示的仅一条线。馈线F1至F5中的每条馈线包括智能电子设备IED，输入馈线F1包括智能电子设备IED1，输出馈线F2至F5对应地包括智能电子设备IED2、IED3、IED4和IED5。智能电子设备IED例如可以是数据收集器，其测量或收集关于电网EN的电量EQ的数据。电网EN的电量EQ例如可以是零电压U₀、零电流I₀、相电压U或相电流I。智能电子设备IED还可以是网络保护与控制单元，诸如保护与控制继电器，其除了提供数据收集功能以外还提供了如本领域技术人员所知道的必要的电网保护与控制功能。稍后更加详细地讨论考虑到本说明书中提出的测量解决方案的智能电子设备IED的内部结构和功能。

根据图1的变电站ES还包括变电站计算机ESC。每个智能电子设备IED1至IED5通过数据传输线DL1、DL2、DL3、DL4和DL5连接至变电站计算机ESC，以使得由智能电子设备IED1至IED5收集的或由智能电子设备IED1至IED5确定的任何数据可以被传输至变电站计算机ESC以便进一步分析。稍后更加详细地讨论考虑到本说明书中提出的测量解决方案的变电站计算机ESC的内部结构和功能。变电站计算机ESC也形成或构成一种智能电子设备，并且还可以的是，变电站计算机ESC的功能可以包括在智能电子设备IED1至IED5中的任一智能电子设备中。

图2示意性地示出了当假设智能电子设备IED为网络保护与控制单元时该智能电子设备IED的内部结构。图1中的所有智能电子设备IED1至IED5的内部结构可以是相同的或可以取决于每个智能电子设备IED1至IED5的使用目的而彼此不同。

根据图2的智能电子设备IED包括用于接收输入或测量信号的输入线IL，该输入或测量信号描述或对应电网EN的要测量的电量EQ。智能电子设备IED还包括低通滤波器LPF和采样电路SC。采样电路SC通常包括采样与保持电路和模拟-数字转换器，用于以采样频率f_s来测量或收集或取得经低通滤波的输入信号的样本，因此连续样本之间的时间间隔Δt或采样间隔Δt为1/f_s。低通滤波器LPF用于过滤掉或去除输入信号的在针对低通滤波器LPF设置的边界频率以上的那些频率。针对低通滤波器LPF设置的边界频率通常是采样电路SC的采样频率f_s的大约一半。智能电子设备IED的采样电路SC的采样频率f_s可以取决于智能电子设备的目的或用途而变化，但是在下面的示例中，除非另有说明，否则假设每个智能电子设备IED1至IED5的采样频率都是2kHz，因此低通滤波器LPF的边界频率大约是1kHz。

图2的智能电子设备IED还包括存储器MM，其可以用于存储要测量的输入信号的样本以使得所存储的样本形成或构成所测量的电量EQ的样本序列SS。此外智能电子设备IED包括设置有内部时钟CLK的中央处理单元CPU，该中央处理单元CPU用于控制智能电子设备IED的操作，例如通过控制线CTRL来控制采样电路SC的操作，并且如有必要，用于基于通过命令线CL从采样电路CS中直接得到或从存储器MM中读取的所测量的输入信号值来执行必要的保护和/或控制功能，例如，用于在馈线上出现故障的情况下打开馈线的断路器。图2还示意性地示出了数据传输线DL，通过该数据传输线DL可以将智能电子设备IED的存储器MM的内容传输至例如变电站计算机ESC。图2还示出了另一个滤波器FD，其可以用于对存储到存储器MM中的样本序列SS进行滤波，以在将样本序列SS传输至变电站计算机ESC用于进一步分析之前进一步减小样本序列中出现的干扰。稍后更加详细地考虑滤波器FD的功能。

图2示意性地公开了可以用于取得、收集或测量电网EN的要测量的电量EQ的样本的智能电子设备的内部结构。智能电子设备还可以包括用于测量与电量对应的输入信号或测量信号的必要的测量传感器，或智能电子设备可以连接至提供输入信号的测量传感器，如与图2中的情况一样。不同类型的智能电子设备的内部结构还可以以许多其他方式进行变化，并且当考虑本说明书中提出的解决方案时，智能电子设备的唯一重要能力是取得、收集或测量电网EN的电量EQ的样本。

图3、图4和图5呈现了当相电压U是要测量的电量EQ时用于根据本说明书中提出的解决方案测量电量EQ的测量原理。图3示意性地呈现了相电压U，图3的y轴表示相电压U的值并且图3的x轴表示时间t。图4示意性地呈现了在测量了相电压U的10个样本之后每个智能电子设备IED1至IED5的存储器内容MM1至MM5。图5进而示意性地呈现了变电站计算机ESC的内部结构和功能，变电站计算机ESC用于将每个智能电子设备IED1至IED5所测量的样本组织成特定的顺序，以便以相比于任何单独的智能电子设备IED1至IED5的采样频率f_s更高的采样频率来提供相电压U测量。

根据本解决方案，每个智能电子设备IED1至IED5被布置成以与同一电网EN中的任何其他智能电子设备相同的采样频率f_s来取得、收集或测量相电压U的样本。然而，每个智能电子设备IED1至IED5被布置或同步为轮流测量相电压样本，以使得特定馈线处的仅一个智能电子设备被布置成在特定时刻取得相电压U的一个样本，并且在此之后，另一条馈线处的另一个智能电子设备被布置成测量相电压U的一个样本，当考虑相电压U的采样时，其他智能电子设备此时再次空闲。因此，按照以下方式测量电量的样本：该方式使得电量EQ的一个样本在特定馈线处被测量之后，在不同馈线处对相同电量的新样本进行测量等等。

因此，在与图3、图4和图5有关的示例中，馈线F1处的智能电子设备IED1被布置成在时刻t₁处测量相电压U的样本，该样本的值为U(t₁)_F1并且对应相电压U在时刻t₁处的值，并且被存储到如在图4中示意性地示出的智能电子设备IED1的存储器MM1中。当考虑相电压U的采样时，在时刻t₁处其他智能电子设备IED2至IED5空闲。接着，在时刻t₂处，馈线F2处的智能电子设备IED2被布置成测量相电压U的样本，该样本的值是U(t₂)_F2并且被存储到智能电子设备IED2的存储器MM2中。再次，当考虑相电压U的采样时，在时刻t₂处其他智能电子设备IED1以及IED3至IED5空闲。

此后，在时刻t₃处通过馈线F3处的智能电子设备IED3来测量相电压U的下一样本，该样本的值是U(t₃)_F3并且被存储至智能电子设备IED3的存储器MM3中，在考虑相电压U的采样时，其他智能电子设备IED1、IED2、IED4和IED5再次空闲。以类似的方式，在时刻t₄处通过馈线F4处的智能电子设备IED4测量相电压U的下一样本，该样本的值为U(t₄)_F4，以及在时刻t5处通过馈线F5处的智能电子设备IED5测量相电压U的下一样本，该样本的值为U(t₅)_F5，这些样本的值被对应地存储到智能电子设备IED4和IED5的存储器MM4和MM5中。此后，由馈线F1处的智能电子设备IED1再次测量相电压U的下一样本，该样本的值为U(t₆)_F1，并且此后，如上所述继续相电压U的测量。

在上面的测量方案中，电网EN中的不同馈线F1至F5处的每个智能电子设备IED1至IED5被布置成轮流测量相电压U的样本，在本示例中在不同时刻t_i,i=1,…,10一次一个样本。当每个智能电子设备IED1至IED5的采样频率f_s是2kHz时，同一智能电子设备的连续样本之间的采样间隔Δt于是为：Δt=1/2000=500μs。然而，当智能电子设备IED1至IED5中的每一个都被布置成收集如上所示的相同电量EQ的样本时，所有收集的样本的连续样本之间的采样间隔是Δt/M=Δt/5=500/5μs=100μs,在本示例中M=5对应于参与收集相同电量EQ的样本的智能电子设备的数量。采样间隔100μs对应于10kHz的采样频率，其是每个智能电子设备IED1至IED5的原始采样频率的5倍。

因此，通过布置不同的智能电子设备，可以在不增加智能电子设备的原始采样频率f_s的情况下增加要测量的电量EQ的实际采样频率，所述不同的智能电子设备具有相同的采样频率f_s但是被配置成在电网的不同馈线或位置处在不同时刻取得样本以便一次一个样本地轮流测量相同电量（在本示例中为相电压U）。该测量因此可以在馈线处进行，例如在变电站处的馈线的连接点处进行，或可以在与该馈线连接的位置处进行，如在连接至该馈线的像电动机、变压器或发电机的设备中进行。在硬件水平上，这意味着：仅通过配置已经在网络的不同馈线或位置处使用的智能电子设备来在不同时刻处取得样本，可以在不增加任何单独的智能电子设备的采样频率的情况下显著地增加要测量的电量的采样频率。因此，要测量的电量的总采样频率可以通过用于测量的智能电子设备的数目而倍增（multiply），而不产生与硬件或其安装相关的任何额外成本。此外，这意味着：相比以前可以测量更高阶谐波，且可以使用于故障位置计算的瞬态样本的数量倍增，从而增加了故障位置估计的精确度。

图4示意性地示出了在时刻t₁至t₁₀处测量相电压U的样本（如图3所示）之后智能电子设备IED1至IED5的存储器MM1至MM5的内容。在测量之后，智能电子设备IED1的存储器MM1包含在馈线F1处在时刻t₁和t₆处取得的两个样本（即样本U(t₁)_F1和U(t₆)_F1）的样本序列SS1。此外，智能电子设备IED2的存储器MM2包含在馈线F2处在时刻t₂和t₇处取得的两个样本（即样本U(t₂)_F2和U(t₇)_F2）的样本序列SS2。以类似的方式，智能电子设备IED3至IED5的存储器MM3至MM5包含包括有在对应的馈线F3至F5处取得的样本的样本序列SS3至SS5。因此，相同电量EQ（即相电压U）的多个样本序列SS1至SS5是通过多个智能电子设备来测量的，以使得每个样本序列SS1至SS5的样本是相比任何其他样本序列SS1至SS5中的样本在电网EN的不同馈线处测量的。不同样本序列SS1至SS5中的样本是在不同时刻一次一个样本地轮流测量的，并且各个样本以样本序列SS1至SS5的形式被存储在对应的智能电子设备的存储器中。为了清楚起见，图3至图5所呈现的示例中，每馈线F1至F5仅两个样本被测量，但是实际上每馈线所要测量的样本的数量自然高得多。

图5示意性地示出了在与上述测量方案的操作有关的方面来说变电站计算机ESC的内部结构和操作。变电站计算机ESC包括第一存储器MEM1，智能电子设备IED1至IED5的存储器MM1至MM5的内容可以通过数据传输线DL1至DL5而传输至第一存储器MEM1中。智能电子设备IED1至IED5的每个存储器MM1至MM5的内容可以按照下述方式传输至变电站计算机的第一存储器MEM1中：该方式使得存储到存储器MM1至MM5中的全部样本序列SS1至SS5被一次传输。变电站计算机ESC的中央处理单元CPU被布置成基于样本序列SS1至SS5中的样本来创建值序列VS。值序列VS中的单个值对应于某个样本序列SS1至SS5的特定样本，以使得值序列VS的值被布置成与样本序列SS1至SS5中的样本的时间顺序（chronological order）对应的顺序。这意味着：在时刻t₁处取得的样本U(t₁)_F1被布置成值序列VS中的第一值，在时刻t₂处取得的样本U(t₂)_F2被布置成值序列VS中的第二值，等等。值序列VS例如可以被存储到变电站计算机ESC的第二存储器MEM2中，该存储器MEM2可以在物理上与第一存储器MEM1位于相同的物理存储设备中。如果所收集的样本例如与出现在接地故障开始时的电压瞬态现象有关，则存储在存储器MEM2中的值序列VS例如可以用于故障位置计算。

在上面的示例中，样本序列SS1至SS5一次一个样本序列地从智能电子设备IED1至IED5传输至变电站计算机ESC，但是还可以的是，智能电子设备IED1至IED5所收集的各个样本可以在采样事件之后紧接着从每个智能电子设备IED1至IED5传输至变电站计算机ESC，以使得没有特定的样本序列SS1至SS5被形成至智能电子设备IED1至IED5的存储器MM1至MM5中。在该情况下，值序列VS例如可以直接创建至变电站计算机ESC的第二存储器MEM2中，而不是将样本临时地存储至智能电子设备IED1至IED5的存储器MM1至MM5中。

利用上述测量原理，相电压U的采样频率可以容易地倍增而无需增加任何单独的智能电子设备IED的实际采样频率f_s。因为在整个电互连电网中电网的相电压和零电压相同，所以相同的测量原理也可以用于测量零电压U₀。

图6和图7示出了在要测量的电量是相电流I的情况下电网EN中的电量EQ的测量原理。智能电子设备IED的结构与图2及相关描述所公开的类型相同。

因为相电流I通常实际上取决于连接至馈线的负载而在每个馈线F1至F5处是不同的，所以与相电压U的测量方法相比用于测量相电流I的测量方法有些不同。然而，该限制可以通过应用基尔霍夫电流定律而被至少部分地补偿，根据基尔霍夫电流定律，在电网EN的具体点处，输入电流（即，在本示例中为输入馈线F1中的电流）之和等于输出电流（即，在输出馈线F2至F5中的电流）之和。这导致相电流I的测量方法，其中在每个时刻t_i处，用一个馈线处的一个智能电子设备来取得或测量一个实际测量值。对于同一时刻t_i，提供了其他馈线处相电流I的估计值，每个馈线处的最后一个测量样本是每个特定馈线处的估计的开始值。例如，可以通过线性内插来提供估计值，即，线性内插用于计算每个具体馈线处的实际测量点或值之间的、该馈线处的虚拟测量点或值。利用该过程，从每个时刻t_i获得一个馈线处的一个实际或真实测量结果以及其他馈线处的若干虚拟内插测量结果。

在图6和图7中通过示例的方式示出了上述测量方法，其中图6示出了关于时间t的相电流I，图7示出了智能电子设备IED1至IED5的存储器MM1至MM5的内容以及变电站计算机ESC的存储器MEM2的内容。在时刻t₁处，相电流I的值是在馈线F1处测量的，该样本由I_M(t₁)_F1表示并且该值被存储至智能电子设备IED1的存储器MM1中。对于同一时刻t₁，例如通过使用线性内插、基于在每个具体馈线F2至F5处的在前实际测量值（未示出）来计算其他馈线F2至F5处的相电流I的估计值，所计算的值为馈线F2处的I_C(t₁)_F2、馈线F3处的I_C(t₁)_F3、馈线F4处的I_C(t₁)_F4和馈线F5处的I_C(t₁)_F5，这些值被存储在每个具体智能电子设备IED2至IED5的存储器MM2至MM5处。在图6的下部，对于每个馈线F1至F5，对于每个时刻t_i，其中I=1,…,10，用实心点示意性地表示实际测量值并且用圆圈表示所计算的值。连续时刻t_i之间的时间段是Δt/M，其中Δt是与每个智能电子设备的采样频率f_s对应的采样间隔，并且M是测量系统中活动或工作的智能电子设备的数量。

在时刻t₂处，在馈线F2处测量相电流I，该测量值由I_M(t₂)_F2表示并且该值被存储到智能电子设备IED2的存储器MM2中。对于同一时刻t₂，例如通过使用线性内插、基于在每个具体馈线F1和F3至F5处的在前实际测量值来再次计算或估计其他馈线F1以及F3至F5处的相电流I的值。这意味着：在时刻t₂处馈线F1处的计算值I_C(t₂)_F1是通过使用线性内插、基于时刻t₁处馈线F1处的实际测量值I_M(t₁)_F1来提供的。图6下部的参考标记C所标记的箭头表示：对于所有的时刻t₂、t₃、t₄和t₅，馈线F1处的相电流I的值是基于对于该具体馈线F1的最后的实际测量相电流值I_M(t₁)_F1来计算或估计的。在其他馈线F3至F5处，基于每个具体馈线F3至F5处的最后实际测量值（在图6中未示出）再次对时刻t₂处的相电流I的值进行内插，所计算的值是馈线F3处的I_C(t₂)_F3、馈线F4处的I_C(t₂)_F4和馈线F5处的I_C(t₂)_F5，这些值被存储在每个具体智能电子设备IED3至IED5的存储器MM3至MM5处。

针对下一时刻t_i继续该同一原理。在测量情形结束之后，存储器MM1至MM5的内容可以被传输至变电站计算机ESC，其中通过中央处理单元CPU的操作，每个时间戳处的相电流的值I(t_i)可以通过函数f(I_M,I_C,t_i)，即I(t_i)=f(I_Mi,I_Ci,t_i)来确定，其中I_Mi表示在时刻t_i处一个馈线处的实际测量相电流值，I_Ci表示在时刻t_i处其他馈线处的计算或估计的相电流值。当通过使用函数f(I_M,I_C,t_i)来确定相电流I(t_i)时，将基尔霍夫电流定律应用于该函数，根据基尔霍夫电流定律，通过加上由内插引起的内插值可能残差，在同一时刻t_i一个馈线处的实际测量相电流值和所计算或估计的相电流值之和对于每个时刻t_i应该为0。残差可以基于例如每个馈线处的相电流的大小被加至内插值，以使得该馈线处的相电流的大小越大，残差的所加至与该具体馈线相关的内插值的部分就越大。例如，相电流的RMS值可以描述相电流的大小。针对每个时刻t_i确定的相电流值I(t₁)、I(t₂)等等于是可以例如被存储在变电站计算机ESC的第二存储器MEM2中。

在上述示例中，在每个具体的智能电子设备IED1至IED5的中央处理单元CPU中执行相电流值的计算或估计，但是如果仅实际测量相电流值被传输至变电站计算机ESC，则还可以在变电站计算机ESC的中央处理单元CPU中执行相电流值的计算或估计。

替代通过使用例如线性内插来计算任何估计值，还可以在实际测量相电流值之间添加零。在本示例中，4个零应当被添加在实际测量相电流值之间，以在每个馈线F1至F5处将采样频率增加为5倍，即10kHz，然后使用低通滤波器来去除具有2kHz频率的信号，即，原始采样频率的频率，源于在原始测量值之间添加零。如此知道该提高单独测量信号的采样频率的一般类型并且此处不再对其进行更加详细的描述。

在Oppenheim,Alan V.;Schafer,Ronald W.Discrete-Time SignalProcessing.Prentice Hall.1989.ISBN0-13-216771-9中提出了通过加零提高采样频率和线性内插。

在所示出的相电流I的测量的实施方式中，要测量的电量（即相电流I）的测量样本是在不同时刻一次一个样本地轮流在电网EN的不同馈线处测量或收集的。此后，基于实际测量相电流样本并且还基于所计算或估计的相电流值来创建值序列VS，以使得值序列VS中的单个值对应于基于在一个馈线处的一个测量样本和在其他馈线处的一个或更多个估计值而计算的值，其中每个估计值可以通过使用线性内插来提供，线性内插使用最后的测量样本作为内插每个具体馈线处的估计值的开始值。值序列VS中的值被布置成与测量样本的时间顺序对应的顺序。相同的测量原理也可用于测量零电流I₀。

因而，利用上述测量方案，可以使用各自具有2kHz采样频率的5个智能电子设备产生10kHz采样频率。然而，每个测量链即使具有相同的智能电子设备和传感器，也会具有某一唯一的测量误差，在将信号用于分析之前可能需要对该误差进行补偿。如果例如一个智能电子设备在测量中具有小标度误差或偏移误差，则其产生等于上面示例中的2kHz采样频率的附加频率分量，可以通过低通滤波器将该附加频率分量滤除以防不能补偿。在图2中利用参考标记FD示意性地示出了该第二低通滤波器。

在下面提出了用于评估不同失配（即，不同的智能电子设备之间的增益、偏移和定时失配）的影响的计算，以理解测量的可能的补偿需要。如果假设增益、偏移和定时失配具有高斯分布，则对信噪比SINAD的组合影响可以通过以下等式（1）来确定：

$\mathrm{SINAD}=10{\log }_{10}\left(\frac{A^2}{2M}({\mathrm{\μ}}_g^2((M-1)e^{-4{\mathrm{\π}}^2{a}_0^2{\mathrm{\σ}}_{r1}^2}+1)+{\mathrm{\σ}}_g^2)\right)$

$\left(1\right)$

$-10{\log }_{10}(\frac{A^2}{2M}(M-1)({\mathrm{\μ}}_g^2(1-e^{-4{\mathrm{\π}}^2{a}_0^2{\mathrm{\σ}}_{r1}^2\mathrm{}})+{\mathrm{\σ}}_g^2)+{\mathrm{\σ}}_o^2),$

其中

A是输入信号的幅度，

M是智能电子设备的量，

μ_q是智能电子设备中的模拟-数字转换器的增益的期望值，

a₀是相对于一个智能电子设备的采样频率的输入信号频率，

σ_g是与期望增益的标准偏差

σ_r1是智能电子设备中的模拟-数字转换器的标准相对定时偏差，

σ_o是偏移的标准偏差。

如在变电站自动化中，智能电子设备的单独模拟-数字转换器起重要作用，等式（1）被布置成将每个单一智能电子设备的变型考虑在内，因此使得结果更加有说明性。在等式（1）中，例如在每设备1kHz采样频率（于是采样间隔为1ms）情况下的1μs偏差意味着无论所使用的模拟-数字转换器的量如何，值σ_r1都是0.001。还当调查多次测量的效果时，应当考虑量a₀，即相对于一个智能电子设备的采样频率的输入信号频率。因此在等式（1）中a₀表示相对于一个智能电子设备的采样频率的输入信号频率，如果输入信号频率在采样频率为2kHz的情况下为1kHz，则a₀为0.5。

可以通过将其他偏差设置为零来根据等式（1）推导各个分量的偏差的影响，例如当增益和偏移偏差两者都被设置为零时定时偏差的影响是很好地可见的。这些偏差的图形结果在图8、图9和图10中是可见的，其中图8示意性地示出了增益误差的影响，图9示意性地示出了偏移误差的效果以及图10示意性地示出了定时误差对由信噪比SINAD所表示的测量误差的影响，并且当假设M为8时，μ_q为1，a₀为0.5。

图8、图9和图10提供了当一个分量中的误差为已知时的最大可能信噪比SINAD。如果定时误差可以是一个智能电子设备的采样间隔的1%，则无论测量链是否相同，根据图10的最大可能SINAD是大约30dB。在智能电子设备的测量链中，偏移误差通常是可以忽略的并且其影响可以被跳过。因此最感兴趣的是在图11和图12中示意性示出的增益和定时失配的组合影响，当M是8时，μ_q是1并且a₀是0.5。该组合影响在示出了组合影响的等高线的图12中是很好地可见的。从图12中例如可以看出当定时偏差在0.001以下并且增益偏差在0.003以下时仅可以实现超过50dB的SINAD。

图13示意性地示出了当测量系统中的智能电子设备的数量增加时附加的智能电子设备对信噪比的影响。在图10中，σ_g是0.005，σ_r1是0.001，σ_o是0并且μ_q是1。

在图13中可以看出当智能电子设备的量（即模拟-数字转换器的量）增加时信噪比SINAD轻微地恶化但不严重。这表示信号质量会保持在相同的水平，其是关于基于瞬态的算法的最重要的方面。瞬态持续仅几毫秒，所以主要方面是可以在没有对SINAD值的大的影响的情况下增加数据点的量。

根据上面提出的计算，如果增益精确度是大约0.5%，则样本的定时失配不应该超过样本间隔Δt的0.1%。在采样频率为2kHz的情况下，采样间隔是0.5ms，其给出0.5μs时具有0.1%的精确度的时间精确度要求。这可以通过将每个智能电子设备中的内部时钟CLK关于其他智能电子设备中的时钟CLK进行同步来确保这一点，以使得每个智能电子设备被布置成在特定的时刻处以其自己的次序来取得样本。因此，如果采样电路SC包括独立于中央处理单元中的时钟CLK的时钟，则控制模拟-数字控制器的时钟还可以在相同的时钟同步处理中被布置。出于同步目的，每个智能电子设备包括可设置的时间偏移，以使得当一个智能电子设备例如智能电子设备IED1与同步主控器（master）同步地（偏移=0）运行，该同步主控器通常为变电站计算机ESC，其他智能电子设备IED2至IED5必须具有为（1/M/f_s）的倍数的偏移时间，其中M是测量系统中智能电子设备的量并且f_s是采样频率。例如，如果具有2kHz采样频率的5个智能电子设备是根据相同的同步主控器来同步的，则馈线1处的智能电子设备IED1的偏移时间可以是0，智能电子设备IED2的偏移时间是1/5/2000=100μs并且其他智能电子设备IED3至IED5的偏移时间是200μs、300μs和400μs。该同步可以由变电站计算机ESC来控制，必要时变电站计算机ESC可以向每个智能电子设备IED1至IED5发送同步控制信号SYNC。然而，该系统可以包括也对变电站计算机ESC进行同步的单独同步主控器。通过同步，可以补偿测量系统中的定时失配。在图1和图2中通过箭头示意性示出了同步控制信号SYNC。

智能电子设备IED1至IED5的可设置偏移时间还确保该测量系统还可应用在网络拓扑结构改变的情形中，在该情况下，如果智能电子设备在断路器之后，则例如由故障导致的网络拓扑结构的变化可以将一个智能电子设备从测量链或系统中移除。正因为如此，所以必须将集中逻辑实施给将该方面考虑在内的变电站。如果一个智能电子设备测量缺失，则必须为其余的智能电子设备计算并提供新的定时偏移值，以使得测量系统可以以M-1测量重新开始操作。在该情况下，单独的智能电子设备的采样间隔Δt保持相同，但是由不同智能电子设备所取得的样本之间的时间段增加。如早先所指出的，但这不会大大地影响测量信号的SINAD，但是用于瞬态分析的数据点的量被减小。因此，该测量系统被布置成将网络拓扑变化考虑在内并且改变测量系统的功能，如用于测量的智能电子设备的数量、不同智能电子设备所取得的样本之间的时间段以及相应地不同智能电子设备的采样顺序。

如上面所公开的，可以通过使用每个智能电子设备中的可设置的偏移时间来尽可能精确地同步智能电子设备来最小化定时失配。这是在电量EQ的测量期间补偿可能的测量误差的一种方式。因为在变电站中一个智能电子设备的测量信号还需要用于保护目的，所以扩展信号处理如RMS（均方根）-计算或DFT（离散傅里叶变换）-计算已经为此而做出。这尤其给增益失配补偿带来新的可能性，这是因为增益失配例如可以通过对在不同馈线处由不同智能电子设备获得的测量电量的基频相量进行比较来补偿。

与图14和图17相关的示例说明了上面所提出的测量方案的影响。示例涉及用于接地故障位置估计的瞬态分析。当在具有绝缘中性点的网络中出现接地故障时，总是有称为瞬态的快速过渡出现。当多个相上的电压改变时，其中的电荷也会改变。在该瞬态期间存在从一个相流至另一个相的电流以补偿网络中的变化。当供电线的电荷达到新平衡时，该瞬态缓慢地衰减。

瞬态主要由称为放电分量和充电分量的两个分量组成。此外还存在线间补偿分量，其功能是平衡它们的变电站终端的并行线的电压。在补偿网络中，还有由于补偿线圈而导致的衰减DC-分量（直流电流）。该放电分量由故障相中的电压的减小而导致。当故障相中的电压减小时，线缆中的电荷也会减小。同时，完好相（sound phase）中的电压上升并且这些线缆可以保存更多的能量。这在电压上显示为充电分量。因为充电分量流经变电站变压器，所以其频率远小于放电分量的频率。充电分量的幅度主导该瞬态，这使得充电分量更适合于故障位置估计目的。放电分量的频率通常为500…2500Hz并且充电分量之一为100…800Hz。因为充电分量的较高幅度和较低频率，所使用的接地故障位置算法通常基于充电分量分析。在图14中，提出了在具有绝缘中性点的电网中的接地故障的起始处的相电压u₁、u₂和u₃的示例。图14清楚地示出了在低电阻接地故障期间相电压如何改变——故障相u₁的电压如何下降接近零而完好相u₂和u₃的电压上升至相-相电压。

图15至图17示出了相电流I和相电压U测量的采样频率对接地故障位置算法的性能的影响的示例，接地故障位置算法通过分析充电瞬态来确定距故障的距离。附图示出了当故障距离在示例网络中在1km至40km之间变化时所计算的距该算法所报告的故障的距离的误差。该算法还报告了所计算的距离的偏差，其描述了结果的准确度。在图15中，通过使用一个测量仪器所应用的采样频率是10kHz，在图16中，也是通过使用一个测量仪器所应用的采样频率是2kHz。然而，在图17中，使用了5个测量仪器，其中每个测量仪器具有2kHz的采样频率并且被布置成根据上述测量方案轮流取得样本。

如图所示，使用2kHz采样信号的5个流，结果与使用具有10kHz采样频率的单个测量仪器的结果非常类似。使用仅一个2kHz采样信号流在故障距离短的情况下给出了非常差的结果。距故障的距离越短，充电瞬态的频率就越高。因此算法在低采样频率的情况下给出了差的结果。

该示例证明了：如上所述通过组合由具有低采样频率的测量仪器做出的测量结果，可以增加电网中的测量信号的采样频率，以使得可以提供例如要用于电力质量和故障位置分析的高质量测量数据。

对于本领域技术人员而言应该很明显的是，随着技术的进步，本发明概念可以以各种方式来实施。本发明及其实施方式不限于上述示例，但是可以在权利要求的范围内变化。在上述示例中，存在1条输入馈线和4条输出馈线，因此该示例公开了5个智能电子设备。但是很明显的是，馈线或位置的数量（其中电量的样本被测量）以及相应地被布置成测量电量的智能电子设备的数量可以变化，以使得存在至少两个智能电子设备和至少两个不同馈线或位置，其中电量的样本被测量。

Claims (18)

1.一种用于测量电网（EN）中的电量（EQ）的方法，所述方法包括：

按照下述方式在不同时刻（t_i）在所述电网（EN）的不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处轮流测量不同馈线或位置处的所述电量（EQ）的样本：该方式使得在所述电量（EQ）的样本在特定时刻在特定馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处被测量之后，所述电量（EQ）的下一样本在下一个时刻在不同馈线或位置处被测量，以及

基于所述测量的样本创建值序列（VS），所述值序列（VS）的单个值对应于测量的样本或基于至少一个测量的样本计算的值，所述值序列（VS）中的值被布置成与所述测量的样本的时间顺序对应的顺序。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

测量同一电量（EQ）的至少两个样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5），以使得每个样本序列的样本相比任何其他样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）的样本在所述电网（EN）的不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）处被测量，并且使得不同样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）的样本在不同时刻（t_i）一次一个样本地轮流被测量；以及

基于所述样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）的样本来创建值序列（VS），所述值序列（VS）的单个值对应于样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）的样本或基于至少一个样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）的至少一个样本计算的值，所述值序列（VS）的值被布置成与所述样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）的样本的时间顺序对应的顺序。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，要测量的所述电量（EQ）是相电压（U）或零电压（U₀），并且所述值序列（VS）的各个值对应于所测量的相电压（U）或零电压（U₀）的样本。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，要测量的所述电量（EQ）是相电流（I）或零电流（I₀），并且所述值序列（VS）的各个值与下述值对应：该值是基于在所述电网（EN）的一个馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处的一个实际测量的相电流值以及在所述电网（EN）的至少一个其他馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置中的所计算或估计的相电流值而计算的。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所计算或估计的相电流值通过线性内插来确定，所述线性内插的开始值是在对应的馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处的最后实际测量的相电流值。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所述电网（EN）的不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置之间的所述电量（EQ）的采样由于增益失配、偏移失配或定时失配而引起的测量误差进行补偿。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述电网（EN）的一个馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处的所述电量（EQ）的采样进行同步，以使得所述采样相对于所述电网（EN）的其他馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处的所述电量（EQ）的采样在特定时间偏移之后发生，以便最小化所述电量（EQ）的采样的定时失配。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，基于不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）处所述电量（EQ）的基频值，对所述电网（EN）的不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）之间的所述电量（EQ）的采样由于增益失配而引起的测量误差进行补偿。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述电网（EN）的发生采样的馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置的数目由于网络拓扑改变而改变之后，对所述电网（EN）的一个馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处的所述电量（EQ）的采样进行同步，以使得所述采样相对于所述电网（EN）的另一个馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处的所述电量（EQ）的采样在特定时间偏移之后发生。

10.一种用于测量电网（EN）中的电量（EQ）的系统，所述系统包括布置在所述电网（EN）的不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处用于测量所述电网（EN）的所述电量（EQ）的至少两个智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5），每个智能电子设备被布置成相比任何其他智能电子设备在不同时刻（t_i）轮流测量所述电量（EQ）的样本；以及

所述系统包括被设置成基于所述测量的样本来创建值序列（VS）的智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5、ESC），所述值序列（VS）的单个值与测量的样本或基于至少一个测量的样本计算的值对应，所述值序列（VS）中的值被布置成与所述测量的样本的时间顺序对应的顺序。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，

布置成测量所述电量（EQ）的样本的所述智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5）被布置成相比任何其他智能电子设备在不同时刻（t_i）一次一个样本地轮流测量所述电量（EQ）的样本；

布置成测量所述电量（EQ）的样本的所述智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5）被布置成基于所述测量的样本来创建样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5），所述样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）按照时间顺序包括所述测量样本；以及

布置成创建所述值序列（VS）的所述智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5、ESC）被布置成基于所述样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）的样本来创建所述值序列（VS），所述值序列（VS）的单个值对应于样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）的样本或基于至少一个样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）中的至少一个样本而计算的值，所述值序列（VS）中的值被布置成与所述样本序列（SS1、SS2、SS3、SS4、SS5）中的样本的时间顺序对应的顺序。

12.根据权利要求10或11所述的系统，其特征在于，要测量的所述电量（EQ）是相电压（U）或零电压（U₀），并且所述值序列（VS）中的各个值对应于所测量的相电压（U）或零电压（U₀）的样本。

13.根据权利要求10或11所述的系统，其特征在于，要测量的所述电量（EQ）是相电流（I）或零电流（I₀），并且所述值序列（VS）中的各个值与下述值对应：该值是基于所述电网（EN）的一个馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处的一个实际测量的相电流值以及所述电网（EN）的至少一个其他馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置中的所计算或估计的相电流值而计算的。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所计算或估计的相电流值被布置成通过线性内插来确定，所述线性内插的开始值是对应的馈线（F1、F2、F3、F4、F5）或位置处的最后实际测量的相电流值。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统被布置成对布置在所述电网（EN）中的智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5）之间的所述电量（EQ）的采样由于增益失配、偏移失配或定时失配而引起的测量误差进行补偿。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述系统被布置成对由一个智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5）所进行的所述电量（EQ）的采样进行同步，以使得所述采样相对于由另一个智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5）所进行的所述电量（EQ）的采样在特定时间偏移之后发生，以最小化所述电量（EQ）的采样的定时失配。

17.根据权利要求15或16所述的系统，其特征在于，所述系统被布置成基于不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）处的所述电量（EQ）的基频值，对所述电网（EN）的不同馈线（F1、F2、F3、F4、F5）之间的所述电量（EQ）的采样由于增益失配而引起的测量误差进行补偿。

18.根据权利要求10至17中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统被布置成在布置成获取样本的所述智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5）的数目由于网络拓扑改变而改变之后，对由一个智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5）所进行的所述电量（EQ）的采样进行同步，以使得所述采样相对于另一个智能电子设备（IED1、IED2、IED3、IED4、IED5）所进行的所述电量（EQ）的采样在特定时间偏移之后发生。

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