CN1302465B - 基于电力系统频率的自适应采样率 - Google Patents

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Abstract

一种用于将电力系统数据采样的采样频率与电力系统(70)的频率同步的方法(100-108)和系统。通过将一阶和二阶导数与阈值相比较来调节采样频率。

Description

基于电力系统频率的自适应采样率
技术领域
本发明涉及用于系统参数分析的采样率与系统频率的同步。具体讲，本发明涉及配电系统的采样率与电力系统的频率的同步。
背景技术
电力系统的保护装置和设备通常是按基于采样的电流和电压的付立叶分析的保护算法来运作的。一种可能的方案是，捕捉64倍于电力系统周期的电力系统的电流和电压的瞬时值或采样，并对该采样进行短期付立叶变换。该种计算以每8个采样周期实时地刷新。
付立叶算法的精度密切依赖于采样率和电力系统频率之间同步的程度。但电力系统的频率是动态的。例如，在正常负载条件下，电力系统的频率可偏离标称值(例如北美的60Hz、欧洲及其它地区的50Hz)高达1Hz。在严重过载情况下，当保护处于临界时，其频率在短至1秒内低过标称值多达10Hz。在发电机启动时，频率可在少于3秒之内从0Hz变到标称值。在突然失载时，频率可过冲多达标称值的1.5倍。为了保持付立叶变换计算的精度，以及保护的可靠性，急需调整采样的频率。
已知的用于调节电力系统采样率的技术依赖于生成滤波和平方的电力系统的电压信号、对电流和电压信号过零频率的计数、以及在电力系统周期数上过零数平均值。但此技术因各种原因而不能使精度足够高。例如反转(即在过零之前大致正弦的曲线本身反转)必定要导致1/2周期的延时，且会因在未达致一定频率的状态由过零算法而导致误判。另外，瞬变和相移可导致“假”过零。此外，用于检测过零的滤波和平方电路可以抖晃的形式将噪声引入信号之中，导致额外的误差。另一依赖平均值的缺点是，平均计算是在较慢的同步特性中得到的结果。
美国专利US5832414、5832413和5721689公开了一种发电机保护系统和用于在数字保护系统中矢量估算和频率跟踪的方法。该方法使用可变N点离散付立叶变换(DFT)根据从采样的信号中所获的数据来计算矢量。在每个采样间隔，用电流与前一矢量角之间的矢量角中的改变来估计信号的瞬时频率。在一信号周期上将瞬时频率平均而产生平均周期频率。此外，限定基于固定采样频率和信号的预定基频的多个离散频率和对应的DFT窗口并用以估算瞬时频率。一旦确定了平均周期频率，通过将DFT窗口设定为等于对应于最接近平均周期频率的离散频率的DFT窗口而对其加以调节。这些专利并没有适当地论及先前讨论的问题。
美国专利5671112和5805395公开了根据DFT技术独立于常规频率跟踪和矢量估计来实现精确的V/Hz值测量和发电机/变压器过激保护的误差时间确定。根据US5671112专利，采样的正弦电压信号通过数字积分器，且积分器输出的幅度被作为V/Hz比值而测出。数字积分器在发电机保护单元中用不同的方程以软件来实现。当采样频率可变时，在每次采样频率改变时重新计算数字积分器的滤波系数，并利用重新计算的滤波器系数来计算数字积分器的输出的峰值幅度的新值。
根据US5805395专利，它利用了非递归数字技术，它通过将正弦输入信号的每半个周期的采样数据点求和并将此和被理想基值和来除，来测出每单位V/Hz值。当以合理的频率对输入电压信号采样后，所公开的技术不用分别计算电压和频率就可近似获得输入电压信号的每单位V/Hz值。这两个专利US5671112和5805395都没有适当地阐明上述问题。
发明内容
鉴于以上的讨论，需要改进电力系统保护装置的采样率与电力系统频率的同步。还需要能鉴别瞬变和真实频率的情况，在真实频率的情况下正确地调节采样率的同时使瞬变不会反过来影响采样率。本发明克服了已有技术中的问题，并因具备了调节电力保护装置的采样率的技术而具有额外的优点。根据示范实例，将采样率调节到与电力系统的频率相适配的方法包括步骤；进行第一频率计算；确定电力系统的频率的一阶和二阶导数；从电力系统特性中确定正常一阶导数、最大一阶导数值和最大二阶导数值；将一阶和二阶导数分别与一阶和二阶最大导数值相比较，并将一阶导数与正常一阶导数相比较；当一阶导数小于正常一阶导数、或一阶和二阶导数都小于最大导数时，则将第一频率计算结果接受作为真值，并根据第一频率计算结果调节采样率。
本发明提供一种用于将在电力系统进行数据采样的采样率与电力系统的频率相适配的方法，包括步骤：
执行第一频率计算，以确定电力系统的频率；
确定电力系统的频率的一阶和二阶导数；
将一阶和二阶导数分别与一阶和二阶最大导数值比较，并将一阶导数与正常的一阶导数比较；以及
若一阶导数小于正常一阶导数，或一阶和二阶导数都小于一阶和二阶最大导数，则将位于fmin和fmax范围内的第一频率计算结果作为真值，并根据第一频率计算结果来调节采样率。
本发明还提供一种用于提供配电系统保护控制的保护继电器，包括：
可拆除地连接到配电系统以感测电力系统状态并提供保护控制的端口；以及
与所述端口相连的至少一个微处理器，该微处理器被编程来以数据采样频率对配电系统数据进行采样，以确定配电系统的工作频率、计算针对工作频率的相应的一阶和二阶导数的第一和第二频率计算结果、将计算出的导数与阈值相比较，并根据比较结果调节数据采样频率，
其中微处理器将一阶和二阶导数分别与一阶和二阶最大导数值比较，并将一阶导数与正常一阶导数比较，在以下限制条件下，即若一阶导数小于正常一阶导数，或一阶和二阶导数都小于一阶和二阶最大导数，并且配电系统的工作频率在设定范围内，才根据比较结果调节采样频率。
本发明还提供一种用于在配电系统中提供保护控制和执行第一频率计算来确定该配电系统的频率的保护继电器，包括：
连接装置，用于使所述继电器与配电系统相连接；和
处理装置，用于通过工作在采样频率下的连接装置去感测系统状态，用于根据系统状态通过连接装置提供保护控制，并用于根据配电系统的工作频率的一阶和二阶导数与阈值的比较来调节采样频率，其中阈值包括一阶和二阶最大导数值和正常一阶导数值，在以下限制性条件下，即若一阶导数小于正常一阶导数，或一阶和二阶导数都小于一阶和二阶最大导数，并且配电系统的工作频率在设定范围内，才根据比较结果调节采样频率。
本发明的技术与已有技术相比大大地改进了同步、速度、精度以致保护性。
附图说明
图1是在电力系统中各种情况特征的表，它与实现本发明的技术有关；
图2是一逻辑图，表示本发明的一种实施方案；
图3为流程图，表示实施本发明的一种方法；
图4表示信号流程图，表示根据本发明实施方案的表示实际频率的有效频率范围；
图5表示传统技术的频率跟踪特性与根据本发明的示范技术间的比较；以及
图6为适于实现本发明的保护继电器的方框图。
具体实施方式
现在参看图1，该表示出与诸如正常负荷、重过荷和发电机启动或失载时真实频率相比出现的最小和最大极限、变化方向、变化率和瞬变/噪声改变过程。由于所研究的输入(电力系统频率)在一个时间上是一种量，因此大多数所研究的特性都是与量变有关。从表中可见，真实频率情况的特性在于在周期中变化较慢或在周期中变化较快但却具有在一个方向上可辨的朝向(例如增加或减少)。根据本发明，这些特征可被用来分辨真实频率情况与瞬变或噪声，它的特征可以是较快、在周期中改变不稳定(即表现出没有稳定的可辨的朝向)。
现在看图2，示出本发明实例的逻辑图。在此例中，假定用于电力系统监视或保护控制的保护继电器或其它装置具有微处理器、可编程逻辑、电路、或其它用于各种电力系统数据比较的适用装置。在图2中，还假定Tn是第n次周期测量，fn＝1/Tn是第n次频率计算。
dfn/dt＝(fn-fn-1)/Tn，为第n  次频率计算，且|d2fn/dt2|＝[(dfn/dt)-(dfn-1/dt)]/Tn是第n次频率加速的计算。此外，为实现图2的逻辑方案，确定所有的频率的情况下的最大频率值(fmin和fmax)；确定分别在正常负载和任何频率的情况下最大频率变化率的情况下的最大频率变化率(|df/dt|norm和|df/dt|max)，以及所有频率情况下的最大频率加速值|d2fn/dt2|max。利用比值可将图2的逻辑方案描述如下：逻辑与操作是用来确定是否第n个频率变化率计算(|dfn/dt|)小于或等于最大频率变化率值(条件12)，且第n个频率加速计算(|d2fn/dt2|)小于或等于最大频率加速度(条件14)。用状态12和14作输入的此第一与操作的结果随后以第一输入提供给逻辑或操作，逻辑或操作的其他输入满足dfn/dt对最大“正常状态”频率变化率(状态16)的比。如果状态16为真，或状态12和14为真，如果fn是在fmin和fmax(状态18)的范围内，则第n个频率计算fn将作为真被接受(即作为正确的电力系统频率)。
利用图1所定下的实例性电力参数，适于图2的逻辑方案的值可确定为：
fmin＝2Hz·fmax＝90Hz|df/dt|max＝20Hz/秒
所研究的其它值|df/dt|norm，|d2fn/dt2|max是基于电力系统的特性的。测试已确定，这些参数的适用值分别约为2-3Hz和3-5Hz/S2
见图3，其中描述了实现本发明的方法。示例方法可以保护继电器或其他电力控制装置来实现，它具有适合编程的微处理器、可编程逻辑或电路，或与之相关地工作。该实例假定已为电力系统确定了适当的最大和最小值。在100步，由保护继电器计算第一频率以确定电力系统的频率。在100步，确定所计算频率的一阶和二阶导数。在104步，(由微处理器或其它适合的比较电路)进行先前确定的阈值的比较以确定状态12、14或16是否存在。在106步，确定第一频率计算结果是否作为有效值被接受，即状态16或状态12和14是否存在，且计算的频率值是否在预定范围fmin-fmax内。如果在106步确定第一频率计算结果有效，则在108步根据需要调节保护继电器的采样频率以跟踪有效的第一频率计算结果。如果在106步确定第一频率计算结果无效，则第一频率计算结果不被接受且重复进行处理。
图4表示根据本发明的实际频率情况下有效信号的信号流图。从图中所见，接受作为实际频率情况表示的信号具有在fmin-fmax范围内的频率，并具有小于阈值df/dtnorm的一阶导数(df/dt)，或具有小于阈值df/dtmax的一阶导数和小于阈值|d2fn/dt2|max的二阶导数。
见图5，其中示出了利用本发明实施例和传统“平均”方法使保护继电器的采样率与电力系统频率同步的频率图。在图5中，电力系统频率由波形52表示，传统“平均”方法的特性由粗体波形54表示，本发明实施例的特性由些微成形基本恒定的线56来表示。可以看到实现本发明技术的继电器大大改进了同步性，进而大大改善了付立叶变换计算精度和保护继电器的保护控制能力。具体可见图5中的电流反向，例如在点58和60处出现的电流反向，在时间间隔62和64期间在传统频率跟踪方案中产生失准情况，而这些失准却被本发明示例的技术大体上消除了。
图6示出实现本发明的保护继电器的方框图。继电器66包括连接到配电系统70的连接口68。通过该口68，继电器可感测系统的状态(例如以数据采样率采样的系统数据)，并在需要时提供适当的保护控制。继电器66还包括适当编程的微处理器72，它在执行传统的控制功能之外，还按参考图3所描述的方法或其它方法将采样频率调节到配电系统的频率上。在此情况下，微处理器72构成了一个进行保护控制功能和频率跟踪功能的示范性装置。
尽管前文所述描写了各种细节，但也应当理解这些只是用于解释的目的而非用作对本发明的限定。在不背离所附权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下可对具体实施例进行各种修改。

Claims (16)

1.一种用于将在电力系统进行数据采样的采样率与电力系统的频率相适配的方法，包括步骤：
执行第一频率计算，以确定电力系统的频率；
确定电力系统的频率的一阶和二阶导数；
将一阶和二阶导数分别与一阶和二阶最大导数值比较，并将一阶导数与正常的一阶导数比较；以及
若一阶导数小于正常一阶导数，或一阶和二阶导数都小于一阶和二阶最大导数，则将位于fmin和fmax范围内的第一频率计算结果作为真值，并根据第一频率计算结果来调节采样率。
2.如权利要求1的方法，其中一阶最大导数为20Hz/秒。
3.如权利要求1的方法，其中第一频率计算结果在2Hz至90Hz之间。
4.如权利要求1的方法，其中正常一阶导数在2Hz/秒至3Hz/秒之间。
5.如权利要求1的方法，其中最大二阶导数在3Hz/秒2至5Hz/秒2之间。
6.一种用于提供配电系统保护控制的保护继电器，包括：
可拆除地连接到配电系统以感测电力系统状态并提供保护控制的端口；以及
与所述端口相连的至少一个微处理器，该微处理器被编程来以数据采样频率对配电系统数据进行采样，以确定配电系统的工作频率、针对计算工作频率的相应的一阶和二阶导数的第一和第二频率计算结果、将计算出的导数与阈值相比较，并根据比较结果调节数据采样频率，
其中微处理器将一阶和二阶导数分别与一阶和二阶最大导数值比较，并将一阶导数与正常一阶导数比较，在以下限制条件下，即若一阶导数小于正常一阶导数，或一阶和二阶导数都小于一阶和二阶最大导数，并且配电系统的工作频率在设定范围内，才根据比较结果调节采样频率。
7.如权利要求6的保护继电器，其中如果一阶导数小于正常一阶导数，或一阶和二阶导数都分别低于一阶和二阶最大导数时，继电器调节采样频率。
8.如权利要求6的保护继电器，其中一阶最大导数为20Hz/秒。
9.如权利要求6的保护继电器，其中第一频率计算结果是在2Hz至90Hz之间。
10.如权利要求6的保护继电器，其中正常一阶导数为2Hz/秒至3Hz/秒。
11.如权利要求6的保护继电器，其中最大二阶导数为3Hz/秒2至5Hz/秒2。
12.一种用于在配电系统中提供保护控制和执行第一频率计算来确定该配电系统的频率的保护继电器，包括：
连接装置，用于使所述继电器与配电系统相连接；和
处理装置，用于通过工作在采样频率下的连接装置去感测系统状态，用于根据系统状态通过连接装置提供保护控制，并用于根据配电系统的工作频率的一阶和二阶导数与阈值的比较来调节采样频率，其中阈值包括一阶和二阶最大导数值和正常一阶导数值，在以下限制性条件下，即若一阶导数小于正常一阶导数，或一阶和二阶导数都小于一阶和二阶最大导数，并且配电系统的工作频率在设定范围内，才根据比较结果调节采样频率。
13.如权利要求12的保护继电器，其中一阶最大导数为20Hz/秒。
14.如权利要求12的保护继电器，其中第一频率计算结果是在2Hz至90Hz之间。
15.如权利要求12的保护继电器，其中正常一阶导数在2Hz/秒至3Hz/秒之间。
16.如权利要求12的保护继电器，其中最大二阶导数在3Hz/秒2至5Hz/秒2之间。
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